ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2013

1. В экспериментах с двухкаскадными дейтериевыми лайнерами с внешней плазменной оболочкой, проведенных в микросекундном режиме сжатия на генераторе ГИТ-12, получен выход нейтронов 2,9x10¹² частиц за импульс при токе через лайнер 2,7 МА. Эксперименты подтвердили, что теоретическая зависимость выхода нейтронов, пропорциональная четвертой степени пикового тока имплозии, реализуется при токах более 2 МА. Это открывает широкие перспективы для осуществления реакции управляемого термоядерного синтеза в лайнерных схемах, поскольку при сохранении такой зависимости в мультимегаамперном диапазоне токов осуществление критического эксперимента в дейтерийтритиевой термоядерной реакции возможно уже при амплитуде тока 40 МА, что является доступной величиной для нового поколения импульсных генераторов.

Отдел высоких плотностей энергии (заведующий чл.-к. РАН Н. А. Ратахин).
Отдел импульсной техники (заведующий ак. Б. М. Ковальчук).
Совместно с Чешским техническим университетом в Праге.

На генераторе ГИТ-12 проведены эксперименты с двухкаскадными дейтериевыми лайнерами с внешней плазменной оболочкой в микросекундном режиме имплозии (1.7—3.6 МА, 460—930 нс). Целью данных исследований являлось определение эффективности генерации нейтронных импульсов в зависимости от начальных параметров лайнера, получение информации о механизмах генерации нейтронов в дейтериевой плазме.

Нагрузка (рис. 1) представляла собой двухкаскадный дейтериевый лайнер с диаметрами каскадов 80 мм и 30 мм и высотой 23—27 мм. Внешняя плазменная оболочка форми-ровалась на диаметре 350 мм с помощью 48 плазменных пушек. Помимо стандартной диагностики для регистрации динамики имплозии и рентгеновского излучения лайнера, в экспериментах использовался обширный комплекс нейтронной диагностики, состоящий из пузырьковых детекторов, времяпролетных детекторов на основе сцинтиллятора и фотоумножителя, активационного детектора и твердотельных детекторов TasTrak CR-39.

Рис. 1. Узел нагрузки генератора ГИТ-12 для проведения экспериментов с двухкаскадными газовыми лайнерами с внешней плазменной оболочкой
Рис. 2. Зависимость выхода нейтронного излучения от пикового тока имплозии в экспериментах на различных генераторах

Максимальный выход нейтронов, зарегистрированный в экспериментах, составил 2.9x10¹² при инжектированной массе лайнера 85 мкг/см, пиковом токе через лайнер 2,7 МА и времени имплозии порядка 700 нс. Большее число нейтронов при сжатии дейтериевых лайнеров было зарегистрировано лишь в экспериментах на установке Z (Sandia National Laboratories, США) при амплитуде тока 17 МА. Анизотропия нейтронного потока в радиальном/аксиальном направлении составляет 1,3. По сравнению с имплозией трехкаскадных дейтериевых лайнеров на генераторе ГИТ-12 нейтронный выход увеличился на порядок. Выход порядка 2x10¹² нейтронов при токе 2,7 МА соответствует зависимости Yn ~ I⁴, полученной на различных установках типа плазменного фокуса. Максимальная энергия нейтронов в радиальном и аксиальном направлениях, зарегистрированных времяпролетными детекторами, составляет 15 МэВ и 22 МэВ, соответственно. Детекторы CR-39, расположенные на оси пинча зарегистрировали дейтроны с энергиями до 39 МэВ (или протоны с энергией до 28 МэВ). Наблюдаемые выходы нейтронов можно объяснить надтепловым распределением дейтронов по энергиям и замагниченностью дейтронов с энергией порядка 1—2 МэВ в плазме лайнера.

Результат получен в рамках проекта II.13.1.4. «Генерация мощных импульсов рентгеновского излучения, электрофизика мощных импульсных высокоэнергетических воздействий» программы ФНИ СО РАН II.13.1 «Фундаментальные проблемы импульсной энергетики и электроники, физические основы получения мощных потоков частиц и излучений» при поддержке исследовательским контрактом между ИСЭ СО РАН и Чешским техническим университетом в Праге.

Публикации:

1. D. Klir., A.V. Shishlov, V.A. Kokshenev, P. Kubes, A.Yu. Labetsky, K. Rezac, J. Cikhardt, F.I. Fursov, B.M. Kovalchuk, J. Kravarik, N.E. Kurmaev, N.A. Ratakhin, O. Sila and J. Stodulka Characterization of neutron emission from mega-ampere deuterium gas puff Z-pinch at microsecond implosion times // Plasma Physics and Controlled Fusion, 55, 085012, 11 pages (2013).
2. D. Klir, V.A. Kokshenev, P. Kubes, A.Yu. Labetsky, M. Paduch, K. Rezac, A.V. Shishlov Search for Drive Parameter of Neutron-Optimized Z-Pinches and Dense Plasma Foci // IEEE Transactions on Plasma Science, Volume: 41, Issue: 11, pages 3129 - 3134 (Nov. 2013).

2. Впервые зарегистрирована динамика профиля эмиссионных линий одиночного катодного пятна вакуумного разряда со спектральным разрешением на уровне 0,1 нм и разрешением по времени на уровне единиц наносекунд. Результаты экспериментов однозначно указывают на резкий рост концентрации плазмы катодного пятна до 10²⁶ м^–3 при переходе разряда в стадию вакуумной дуги, тогда как в стадии пробоя вакуумного промежутка (до полного заполнения промежутка плазмой) концентрация плазмы катодного пятна не превышает 10²⁴ м^–3. В отличие от инициирования катодного пятна в вакуумном промежутке, в плазмонаполненном промежутке катодное пятно возникает сразу же как яркий объект, в спектре излучения которого ширина линий соответствует высокой концентрации плазмы, характерной для катодного пятна в дуговой стадии разряда. Полученный результат принципиально важен для понимания взрывоэмиссионных процессов.

Лаборатория вакуумной электроники (заведующий к.ф.-м.н. А. В. Батраков)

До выполнения данной работы полагалось, что регистрация динамики профиля спектральных линий одиночного катодного пятна вакуумной дуги является неразрешимой проблемой в силу объективных причин, таких как случайный характер локализации катодного пятна, момента его инициирования и времени жизни, а также недостаточно высокая интенсивность излучения плазмы катодного пятна. Данная проблема была решена путём использования жидкометаллического катода. Стабильность воспроизводства конуса Тейлора при высокой частоте следования импульсов напряжения позволила осуществить пространственную и временную синхронизацию катодного пятна с диагностической аппаратурой и зафиксировать динамику профиля атомных и ионных линий материала катода с наносекундным временным разрешением и спектральным разрешением на уровне 0.1 нм. Оказалось, что при переходе вакуумного разряда из стадии вакуумного пробоя (до полного заполнения промежутка плазмой) к стадии вакуумной дуги (полное заполнение промежутка плазмой) происходит резкий рост ширины атомных линий (рис. 3, а), который может быть объяснён лишь механизмом уширения по Штарку. Выполненный анализ профиля атомных линий позволил сделать вывод о росте концентрации плазмы с уровня ниже 10²⁴ м^–3 в стадии вакуумного пробоя до уровня 10²⁶ м^–3 в стадии вакуумной дуги (б).

В случае инициирования катодного пятна под плазмой вакуумного разряда, достигаемого при смене полярности в разрядном промежутке при переходе тока дуги через ноль, пятно возникает сразу как яркий объект, в спектре которого атомные линии уширены до состояния (рис. 1, в), идентичному состоянию дугового разряда, что соответствует столь же высокой концентрации плазмы, как и в катодном пятне вакуумной дуги. Этот факт указывает на восприимчивость процессов в катодном пятне к наличию либо отсутствию высокой разности потенциалов между электродами при его инициировании.

Зарегистрированная динамика плотности плазмы катодного пятна в настоящий момент не имеет однозначного объяснения в рамках существующих модельных представлений о процессах в катодном пятне вакуумного разряда [Месяц Г.А. Взрывная электронная эмиссия.– М.: Физматлит, 2011. 280 с.; A. Anders. Cathodic Arcs: From Fractal Spots to Energetic Condensation. – Springer, New York, 2008. 540 p.], поскольку полагается, что процессы в катодном пятне практически не зависят от процессов в вакуумном промежутке.

3. Динамика спектра свечения плазмы катодного пятна (а, в) и динамика концентрации плазмы (б) при зажигании пятна в вакуумном (а, б) и плазмонаполненном (в) промежутках

Результат получен в рамках проекта II.14.2.1. «Взрывоэмиссионные процессы в вакуумном разряде и разработка фундаментальных основ их применения в технологиях» программы ФНИ СО РАН II.14.2. «Физика низкотемпературной газоразрядной плазмы и применения импульсных и стационарных разрядов».

Публикации:

1. R. Methling, S.A. Popov, A.V. Batrakov, D. Uhrlandt, K.-D. Weltmann. Spectroscopy of Single Vacuum Arc Cathode Spots With Improved Sensitivity // IEEE Trans. Plasma Sci.– 2013.– Vol. 41.– Iss. 8/2.– pp. 1904-1910.

3. Показана возможность резкого сокращения времени задержки взрывной эмиссии электронов и пикосекундной стабилизации фронта тока электронного пучка при наращивании крутизны фронта импульса напряжения, подаваемого на вакуумный магнитноизолированный диод с цилиндрическим кромочным катодом. Измерение взаимной стабильности фронтов тока пучков в двух диодах, запитанных расщепленным общим высоковольтным импульсом, основанное на методе сравнения фаз СВЧ-генераторов диапазона частит 38 ГГц, ударновозбуждаемых такими пучками, свидетельствует о величине стандартного отклонения в положении фронта тока менее 0,5 пикосекунды при скорости нарастания напряжения более 1 МВ/нс.

Отдел физической электроники(заведующий д.ф.-м.н. В. В. Ростов). Совместно с Институтом электрофизики УрО РАН.

Исследования проводились в ИСЭ СО РАН на стенде «Ника-2» на основе ускорителя СИНУС-200, а также совместными усилиями в ИЭФ УрО РАН на экспериментальном стенде S-500 — источнике высоковольтных импульсов с твердотельной коммутацией и повышенной стабильностью. При подготовке к экспериментам стенды адаптированы для раздельного обострения фронта напряжения в каналах и задержки с пикосекундным уровнем контроля на основе нелинейных линий, частично заполненных ферритом во внешнем магнитном поле. При амплитуде импульсов до 300 кВ получены скорости роста напряжения до 1.3•10¹⁵ В/с.

Эффект стабилизации фронта тока проявляется, если скорость нарастания напряжения в вакуумном диоде составляет более 1 МВ/нс. Характер нарастания тока и его стабильность зависят от толщины кромки графитового катода и от величины внешнего магнитного поля. Ток начинается с задержкой от напряжения до моментов времени, когда происходит зарядка емкости диода и уровень напряжения поднимается до величин порядка 50—100 кВ, создавая макроскопическую напряженность электрического поля на кромке катода 1—2 МВ/см. Темп роста тока на начальной стадии наибольший, но его амплитуда мала и составляет 10—20% от максимального значения в моменты времени, когда амплитуда напряжения достигает половину амплитудного значения (рис. 4 а, б). Картину процесса, повидимому, можно объяснить невыполнением известного приближения о неограниченной эмиссии электронов на малых временах, которые не достаточны для расширения плазмы и экранирования всей поверхности кромки катода. Полученная в упрощенной модели, учитывающей ненулевое среднее поле на кромке катода, динамика тока (рис. 4 а), в целом согласуется с измерениями на стенде «Ника-2» (рис. 4 б). Тем не менее, несмотря на задержку фронта тока, соизмеримую с длительностью фронта напряжения (около 300 пс), имеет место высокая степень повторяемости формы тока от импульса к импульсу. Роль внешнего магнитного поля в динамике тока (рис. 4 б), повидимому, объясняется различным характером экранирования кромки катода, а также наложением на полную картину эффекта кинематического обострения начальной части фронта пучка электронов (на участке от катода до плоскости регистрации тока шунтом).

4. Рис. 4. Динамика тока в модели (а) и эксперименте (б)
(по горизонтали 1,25 нс/дел; магнитное поле в диоде, тесла: 1 – 0,4, 2 – 0,9, 3 – 1,8)

Питание электронных инжекторов двух сверхизлучательных релятивистских ламп обратной волны диапазона 8 мм без электродинамической связи стабильным расщеплённым импульсом позволило обеспечить синхронизацию фаз излучения таких автогенераторов с точностью 2% от периода СВЧ колебаний, составляющего 27 пс, то есть примерно 0,5 пс. В этих условиях продемонстрировано когерентное суммирование волновых пучков с мощностью СВЧ по 700 МВт в каждом канале. Суммарная плотность потока мощности волновых пучков в свободном пространстве была эквивалентна одному генератору с мощностью 3 ГВт.

Результат получен в рамках проекта II.13.1.2. «Исследование механизмов генерации и разработка источников мощных импульсов микроволнового излучения с управляемыми параметрами» программы ФНИ СО РАН II.13.1 «Фундаментальные проблемы импульсной энергетики и электроники, физические основы получения мощных потоков частиц и излучений» и интеграционного проекта фундаментальных исследований СО РАН № 107 «Исследование разрядов в газах высокого и низкого давления и разработка на этой основе новых электрофизических устройств», выполняемого совместно ИСЭ СО РАН и ИЭФ УрО РАН.

Публикации:

1. K. A. Sharypov, A. A. El’chaninov, G. A. Mesyats, M. S. Pedos, I. V. Romancheko, V. V. Rostov, S. N. Rukin, V. G. Shpak, S. A. Shunailov, M. R. Ul’masculov, and M. I. Yalandin. Coherent summation of Ka-band microwave beams produced by sub-gigawatt superradiance backward wave oscillators // Applied Physics Letters, vol. 103, 134103 (1-4), September 2013.
2. Ельчанинов А.A., Климов А.И., Романченко И.В., Ростов В.В., Педос М.С., Рукин С.Н., Шарыпов К.А., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Ульмаскулов М.Р., Яландин М.И. Двухканальный релятивистский генератор встречной волны диапазона 8 мм с управляемой разностью фаз и мощностью 230 MW в канале // Письма в ЖТФ. –2013. –Т. 39. – В. 20. – С. 49–56.
3. В. В. Ростов, А. А. Ельчанинов, И. В. Романченко, С. В. Шунайлов, М. Р. Ульмаскулов, К. А. Шарыпов, В. Г. Шпак, С. Н. Рукин, М. И. Яландин. Двухканальный генератор 8-миллиметрового излучения с импульсами субгигаваттного уровня // Изв. вузов. Радиофизика. 2013 (в печати).

4. Впервые предложен и реализован подход к созданию мощных источников сверхширокополосных импульсов излучения с круговой поляризацией, основанный возбуждении цилиндрических спиральных антенн биполярными импульсами. Создан источник излучения, в котором антенны с числом витков 4—5 возбуждаются напряжения длительностью 1—2 нс с амплитудой входе антенн -160/+200 кВ. Продемонстрирована непрерывная работа источника с частотой следования импульсов 100 Гц в течение одного часа со среднеквадратичным отклонением напряженности поля в дальней зоне менее 4%. Энергетическая эффективность излучателей достигает 0,8 при коэффициенте эллиптичности излучения 0,75—0,9. Эффективный потенциал поля излучения 250—280 кВ, частота следования импульсов в длительном непрерывном режиме работы источника — до 100 Гц.

Лаборатория высокочастотной электроники (заведующий д.ф.-м.н. В. И. Кошелев), отдел импульсной техники (заведующий ак. Б. М. Ковальчук).

Для увеличения электрической прочности антенны помещаются в диэлектрические контейнеры, заполняемые элегазом SF6 до избыточного давления 0,8—2 атм. Режимы работы источников – от одиночного импульса излучения до непрерывной работы с частотой повторения 100 Гц в течение одного часа. При этом величины среднеквадратичного отклонения амплитуды напряжения на входе в антенну и напряженности поля в дальней зоне за произвольные 100 импульсов не превосходят 4%.

Рис. 5. Внешний вид источника излучения. 1 — генератор монополярных импульсов, 2 —формирователь биполярных импульсов, 3 — передающая линия, 4 — спиральные антенны в диэлектрическом контейнере

Результат получен в рамках проекта II.13.1.2. «Исследование механизмов генерации и разработка источников мощных импульсов микроволнового излучения с управляемыми параметрами» программы ФНИ СО РАН II.13.1 «Фундаментальные проблемы импульсной энергетики и электроники, физические основы получения мощных потоков частиц и излучений» и проекта «Исследование формирования направленных пучков мощного сверхширокополосного излучения наносекундной длительности с циркулярной поляризацией поля» программы ФНИ Президиума РАН № 29. «Фундаментальные проблемы импульсной сильноточной электроники».

5. Разработана методика и продемонстрирована возможность легирования титана кремнием с образованием многослойного композитного материала Ti (основа) / Ti₅Si₃ (поверхностный наноструктурированный слой), представляющего значительный интерес как термостойкий легкий материал вследствие формирования тугоплавкого (с температурой плавления 2400 К) силицида титана Ti₅Si₃, синтезируемого в едином вакуумном цикле при воздействии высокоинтенсивного электронного пучка субмиллисекундной длительности на систему пленка (кремний) / подложка (титан), сформированную в результате распыления кремния пучком электронов.

Лаборатория плазменной эмиссионной электроники (заведующий д.т.н. Н. Н. Коваль).

Многослойный композитный материал α-Ti (основа) / Ti₅Si₃ (поверхностный слой) представляет особый интерес как высокотемпературный легкий материал для проектирования осевых компрессорных лопаток и выпускных клапанов в двигателях внутреннего сгорания, воздушных турбин, теплозащитных плиток камер сгорания, а также для создания новых легких материалов на основе огнеупорного силицида титана Ti₅Si₃.

В качестве подложки в экспериментах использовался технически чистый титан ВТ1-0. На поверхность образцов ВТ1-0 наносилась пленка кремния толщиной ~ 1,0 мкм методом распыления кремния пучком электронов. Кремниевую мишень предварительно нагревали до температуры (600—800)°С с помощью импульсного электронного пучка в частотно-импульсном режиме (энергии в импульсе 0,5 Дж/см²; длительность импульсов 50 мкс; частота следования импульсов 5 Гц). Распыляемая мишень (кремний) располагалась на расстоянии 5 см от поверхности подложки (ВТ1-0). Распыление кремния осуществляли при следующих параметрах электронного пучка: плотность энергии в импульсе 40 Дж/см²; длительность импульсов 200 мкс; частота следования импульсов 1 Гц. При данных параметрах скорость осаждения кремниевой плёнки на поверхности образцов ~ 3 нм/имп. После осаждения кремниевой плёнки образцы с помощью шагового двигателя перемещали в область воздействия импульсного электронного пучка и облучали в высокоинте нсивном режиме ((15–40) Дж/см², (50–200) мкс, (0,3–1) Гц, (1–20) имп.), что соответствовало жидкофазному легированию ВТ1-0 атомами кремния.

Методами сканирующей электронной микроскопии установлено, что электронно-пучковая обработка системы пленка (кремний) / подложка (ВТ1-0) приводит к образованию легированного слоя, концентрация кремния в котором изменяется в пределах от 15 до 7,5 вес.% при увеличении плотности энергии пучка электронов от 20 до 40 Дж/см² (200 мкс, 3 имп., 0,3 Гц). При оптимальном режиме облучения (20 Дж/см², 200 мкс, 3 имп., 0,3 Гц) формируется многослойная субмикро- и наноразмерная композитная структура (рис. 6), основной фазой (58 мас. %)) поверхностного слоя которой является высокотемпературный (Тпл = 2400 К) силицида титана состава Ti₅Si₃ (рис. 7). Твердость формируемого слоя в 2,5 раза превышает твердость основы.

Полученные результаты демонстрируют перспективность использования высокоинтенсивного электронного пучка для легирования металлов и сплавов кремнием с целью создания структур, которые могут быть использованы для изготовления деталей и изделий, работающих при высоких температурах.

Рис. 6. Структура поверхности (а, б) и результаты микрорентгеноспектрального анализа (в) образцов системы Si/Ti, обработанных электронным пучком (20 Дж/см², 200 мкс, 3 имп., 0,3 Гц).
Сканирующая электронная микроскопия

Рис. 7. Участки рентгенограмм, полученных с системы пленка (Si) / подложка (ВТ1-0), облученной электронным пучком (200 мкс, 3 имп, 0,3 с^-1) при плотности энергии пучка электронов (а) 20 Дж/см²; (б) 30 Дж/см²; (в) 40 Дж/см². Указаны дифракционные линии фаз, присутствующих в поверхностном слое (слое толщиной ~ 10 мкм) исследуемых материалов.
Работа выполнена в рамках субсидии по проекту ФНИ СО РАН II.9.5.2. «Закономерности и механизмы формирования и модификации структуры и свойств наноструктурированных слоев и покрытий».

6. Разработан метод формирования тонких наноструктурированных композитных NiO/ZrO₂:Y₂O₃ пленок посредством реактивного магнетронного распыления Ni и ZrY мишеней. Такие пленки представляют значительный интерес при их использовании в качестве анодов твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), поскольку после восстановления в водороде имеют наноразмерную пористую структуру, позволяющую существенно улучшить каталитические и электрохимические свойства анода и за счет этого повысить удельные электрические параметры ТОТЭ. Метод позволяет формировать названные слои на значительных площадях со скоростью до 12 мкм/ч и регулируемым от 30 до 70 об.% содержанием NiO, что перспективно для производства ячеек ТОТЭ в едином вакуумном технологическом цикле.

Лаборатория прикладной электроники (заведующий д.т.н. Н.С. Сочугов).

Исследованы физико-химические и структурные свойства нанокомпозитных NiO/ZrO₂:Y₂O₃ (NiO/YSZ) пленок, наносимых методом реактивного магнетронного осаждения для использования в качестве анодов твердооксидных топливных элементов. Определены режимы совместного магнетронного распыления Ni и ZrY мишеней в атмосфере Ar и O₂, обеспечивающие формирование NiО-YSZ пленок со скоростью осаждения до 12 мкм/ч. Показано, что регулируя мощность Ni магнетрона и расход кислорода, можно изменять содержание NiО в покрытии. При оптимальных условиях осаждения (соотношении расходов аргона к кислороду 3:1, мощности разряда Ni и ZrY магнетронов 0,7 и 1,25 кВт, соответственно) на подложке формируется NiО-YSZ пленка, которая после восстановления в водороде имеет пористую мелкозернистую структуру с размером пор и гранул около 50 нм и объемным содержанием Ni около 50 %.

Рис. 8. Поверхность NiО/YSZ пленки, сформированной методом магнетронного распыления, после восстановления в водороде (2 часа при температуре 800°С).
Растровая электронная микроскопия

Исследование микроструктуры восстановленных при 800°С Ni-YSZ пленок показало, что на их поверхности наблюдаются массивные Ni агломераты даже при небольшом содержании Ni (7 об.%) в пленке. Тем не менее, сравнительные испытания топливных ячеек с несущим YSZ электролитом показали, что при использовании NiО-YSZ анода, нанесенного методом магнетронного распыления, генерируемая плотность мощности (210 мВт/см² при температуре 800°С) в 2 раза превышает значения, характерные для ячейки с анодом, изготовленным традиционным методом трафаретной печати из смеси частиц субмикронного размера. Это связано с более развитой трехфазной границей «газ—анод—электролит» у анода с наноразмерной пористой структурой. Исследование стойкости к redox-циклированию анода, осажденного методом магнетронного распыления, показало снижение после каждого redox-цикла максимальной мощности, генерируемой топливной ячейкой, примерно на 3 %, что может быть обусловлено процессом агломерации Ni гранул.

Работа выполнена в рамках субсидии по проекту ФНИ СО РАН II.9.5.3. «Ионно-плазменное оборудование и методы формирования многослойных и градиентных тонкопленочных структур для технологий водородной энергетики» при поддержке грантом по проекту ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 годы» (соглашение № 8074).