Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

УДК 537.5

ПОТУЖНІ МІКРОСЕКУНДНІ ПУЧКИ ЗАРЯДЖЕНИХ ЧАСТИНОК І ЇХ ВЗАЄМОДІЯ З ПЛАЗМОЮ І КОНДЕНСОВАНИМИ СЕРЕДОВИЩАМИ

01.04.20 - фізика пучків заряджених частинок

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Коляда Юрій Євгенович

ХАРКІВ 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті Міністерства освіти та науки України.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, Клепіков Вячеслав Федорович, директор Центра електрофізики НАН України, м.Харків;

доктор фізико-математичних наук, професор, Карась Вячеслав Ігнатійович, начальник лабораторії ІПЕНМП ННЦ ХФТІ, м.Харків;

доктор фізико-математичних наук, професор, Гончаров Олексій Антонович, провідний науковий співробітник, Інститут фізики НАН України, м.Київ.

Провідна установа Інститут ядерних досліджень НАН України, відділ фізики плазми, м.Київ.

Захист відбудеться “ 20 ” травня 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.845.01 у Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут” за адресою: 61108, м.Харків, вул.Академічна,1, конференц-зал.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” за адресою: 61108, м.Харків, вул.Академічна, 1

Автореферат розісланий “ 10 ” квітня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор фізико-математичних наук, професор Айзацький М.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток прискорювачів і фізики пучків заряджених частинок привів до їх використання не тільки в ядерній фізиці і фізиці елементарних частинок, але й у багатьох галузях науки й техніки. Пучки заряджених частинок широко застосовуються в термоядерних дослідженнях для нагрівання плазми у відкритих і закритих магнітних пастках, у дослідженнях з інерційного термоядерного синтезу. Заснована Я.Б.Файнбергом плазмова електроніка, як новий напрямок фізики, сприяла створенню принципово нових потужних СВЧ підсилювачів, генераторів та лазерів, почали розвиватися нові методи прискорення частинок у плазмі. Останнім часом пучки заряджених частинок використовуються для модифікації властивостей металів і сплавів, радіаційної обробки матеріалів, у плазмохімії. Галузі науки і техніки, в яких знаходять застосування пучки прискорених частинок, постійно розширюються.

Для успішного вирішення вище вказаних завдань необхідні сильнострумові пучки зі струмом десятки, а то й сотні кА та енергією частинок ~ МеВ. Фізика процесів, які протікають у сильнострумових пучках і методи їх отримання, достатньо повно описані в літературі, наприклад, у численних роботах Г.А.Мєсяця, А.Н.Діденка та їх співробітників.

Однак існуючий рівень розвитку прискорювальної техніки дозволяє одержувати пучки з указаними параметрами в імпульсному режимі. Тому актуальною проблемою фізики пучків заряджених частинок є збільшення тривалості їх імпульсу до десятків мікросекунд і більше, а також струму та енергії. Цьому повинно передувати встановлення нових фізичних закономірностей їх формування та прискорення. Крім того, сукупність явищ, які виникають при взаємодії мікросекундних пучків з плазмою, твердим тілом і з рідиною, вивчена сьогодні недостатньо. Зокрема, потребують експериментального підтвердження основні положення теорії тривимірної релаксації пучків заряджених частинок при їх взаємодії з плазмою. Становить підвищений інтерес використання цих пучків для генерації інтенсивних акустичних коливань у твердому тілі і в рідині та встановлення механізмів їх збудження. Актуальним є питання практичного застосування вказаних явищ.

Це і визначило тему дослідження - потужні мікросекундні пучки заряджених частинок та їх взаємодія з плазмою і конденсованими середовищами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертації отримані в результаті виконання наступних державних і госпдоговірних науково-дослідницьких робіт:

1. Теоретичні та експериментальні дослідження нагрівання плазми в неоднорідних плазмово-пучкових розрядах за допомогою трансформації хвиль. Звіт про НДР, номер держреєстрації Г38064, 1976, Харківський фізико-технічний інститут АН УРСР (Національний науковий центр ХФТІ).

2. Експериментальна і теоретична розробка сильнострумових прискорювачів важких частинок з напруженістю електричного поля 10⁵-10⁷ В/см, номер держреєстрації Г18637, 1979, Харківський фізико-технічний інститут АН УРСР (Національний науковий центр ХФТІ).

3. Дослідження і розробка пристроїв передачі енергії великої імпульсної потужності для впливу сильнострумових пучків на матеріали, номер держреєстрації 0180083567, 1983, Харківський політехнічний інститут.

4. Дослідження генерації звукових коливань електричними розрядами та електронними пучками для ультразвукової обробки матеріалів, госпдоговірна тема №377680, 1985, Харківський політехнічний інститут.

5. Дослідження впливу мікросекундних концентрованих пучків на фізико-механічні властивості і структуру конструкційних матеріалів, госпдоговірна тема №377971, 1987, Харківський політехнічний інститут.

6. Програма досліджень впливу гідравлічних імпульсів на призабійну зону пласта з використанням концентрованих потоків енергії, Приазовський державний технічний університет, м. Маріуполь, Нафтогазовидобувне Управління “Ахтирканафтогаз” ТОВ “Укранафта”, ТОВ “Транспрогрес, м. Маріуполь, 1998.

При виконанні науково-дослідницьких робіт 1 і 2 автор дисертації був виконавцем, а при виконанні робіт 3 - 6 - науковим керівником.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - встановлення нових механізмів і закономірностей, які відбуваються при формуванні та прискоренні потужних іонних і електронних пучків з мікросекундною тривалістю імпульсів і на цій основі підвищення їх параметрів - струму та енергії, а також подальше вивчення нових фізичних процесів при взаємодії вказаних пучків з плазмою і конденсованими середовищами. Згідно з поставленою метою були визначені такі завдання:

1. Вивчення механізмів формування та прискорення компенсованого сильнострумового мікросекундного іонного пучка в плазмі з використанням прискорюючого індукційного електричного поля.

2. З'ясування фізичних закономірностей, які визначають ефективність перетворення нагромадженої ємнісним накопичувачем енергії в енергію сильнострумового релятивістського електронного пучка в прискорювачах прямої дії та одержання на основі цього електронного пучка з тривалістю імпульсу до 10 мкс та енергією до 100 кДж.

3. Дослідження фізичних механізмів впливу крапельної фракції плазми катодного факелу на емісійні характеристики холодних вибухоемісійних катодів у мікросекундному діапазоні імпульсів.

4. З'ясування закономірностей формування потужного мікросекундного пучка електронів у газі високого тиску.

5. Експериментальна перевірка теорії тривимірної релаксації мікросекундних електронних та іонних пучків при їх взаємодії з плазмою. Зокрема, ідентифікація різновидів плазмових коливань, які призводять до тривимірної релаксації.

6. Вивчення можливостей та механізмів збудження акустичних структур - резонаторів та хвилеводів мікросекундними пучками заряджених частинок.

7. З'ясування механізмів утворення шаруватої структури зміцненої зони металів та сплавів при опроміненні їх мікросекундними сильнострумовими електронними пучками.

8. Вивчення можливості використання потужних потоків заряджених частинок із великою тривалістю імпульсів для генерації інтенсивних низькочастотних гідроакустичних коливань та механізмів їх збудження.

Об'єкт досліджень - закономірності і фізичні процеси, які відбуваються при формуванні, прискоренні, транспортуванні і взаємодії потужних мікросекундних пучків заряджених частинок з плазмою, твердим тілом і рідиною. Предмет досліджень - потужні пучки заряджених частинок, плазма, тверде тіло, рідина, їх фізичні характеристики, а також елементи сильнострумових прискорювачів.

Методи досліджень. При виконанні дисертації використовувалися такі методи експериментальної фізики. Для визначення параметрів отриманих пучків - методи вимірювання високих напруг та великих струмів, калориметричні і радіаційні вимірювання; для визначення параметрів плазми - зондова, НВЧ і лазерна діагностика; для вимірювання функції розподілу іонів за енергіями - методи корпускулярної діагностики; для вимірювання характеристик пружних імпульсів у конденсованих середовищах - п'єзоакустичні вимірювання; при дослідженні зразків металів і сплавів, опромінених пучками заряджених частинок, використовувалися методи металографічного аналізу; для дослідження характеристик аерозольних мікроскопічних частинок - статистичні методи. Для перевірки запропонованих математичних моделей: індукційного прискорювача заряджених частинок; роботи генератора імпульсних напруг на нелінійне навантаження - вакуумний діод; взаємодії заряджених мікрочастинок з поверхнею катода; збудження гідроакустичних коливань потоками заряджених частинок - використовувалися методи чисельного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. У результаті проведення досліджень фізичних процесів, протікаючих при формуванні та прискоренні потужних мікросекундних пучків заряджених частинок у плазмі індукційними електричними полями і у вакуумних прискорювачах прямої дії, одержані нові результати, які дозволили отримати пучки з більш високими параметрами. Використання отриманих пучків при взаємодії з плазмою, твердим тілом і з рідиною дозволило одержати нові фізичні закономірності цих взаємодій, а саме: пучок електрон іонний плазма

1. Вперше з'ясовано фізичні механізми формування та прискорення компенсованого сильнострумового мікросекундного іонного пучка в плазмі за допомогою індукційних електричних полів. Показано, що найбільш ефективно прискорення відбувається при утворенні в плазмі еквіпотенціалей, що створюються за допомогою поперечного магнітного поля у вигляді магнітних “каспів” - поля гострокутної геометрії та вмороженої в нього електронної компоненти. В результаті одержані пучки іонів (аргону, гелію, водню) з енергією ~ 100кеВ, струмом ~ 4кА, тривалістю імпульсу біля основи ~ 1мкс. Запропонована математична модель прискорювальної секції, яка дозволяє розраховувати параметри пучка, що прискорюється, та к.к.д. прискорюючої системи в залежності від її електричних параметрів.

2. З'ясовано фізичні закономірності, що визначають ефективність перетворення нагромадженої енергії ємнісного накопичувача в енергію сильнострумового релятивістського електронного пучка в прискорювачах прямої дії. Важливим фактором при цьому є узгодження розряду ємнісного накопичувача енергії на вакуумний діод із вибухоемісійним катодом, який є нелінійним навантаженням. Умови узгодження визначені як експериментально, так і за допомогою чисельного моделювання. В результаті одержано пучок з параметрами: тривалістю імпульсу до 15мкс, енергією --1,2^.10⁶ еВ, амплітудою струму --12^.10³А.

3. Вияснено нові фізичні закономірності роботи холодного вибухоемісійного катоду сильнострумового вакуумного діода в мікросекундному діапазоні імпульсів. Показано, що крапельна фракція продуктів ерозії катода відіграє активну роль у розвитку вакуумного електричного розряду. Зокрема, наявність позитивних заряджених мікрочастинок біля поверхні холодного катода може обумовлювати збудження нових ектонів.

4. З'ясовано закономірності формування потужного мікросекундного пучка електронів в газі високого тиску. Це дозволило одержати мікросекундний електронний пучок в каналі потужного дугового розряду, який обмежений діелектричними стінками. При цьому засоби вакуумної відкачки не застосовувались. Прискорення було здійснене в результаті впливу додаткового імпульсу високої напруги на міжелектродний проміжок і було обумовлене явищем втікання електронів, коли електрична сила, що прискорює електрони, перевищує силу тертя, яка викликана іонізаційними втратами.

5. Вперше експериментально здійснено перевірку теорії тривимірної релаксації мікросекундних пучків заряджених частинок при їх взаємодії з плазмою. З'ясовано, що збудження косих плазмових коливань призводить до розмиття функції розподілу пучків як по поздовжнім, так і поперечним швидкостям. Наслідком цього є набуття частинками пучка значної поперечної складової швидкості. Експерименти проведено з електронними та іонними пучками. Результати досліджень узгоджуються з висновками теорії тривимірної релаксації пучків при їх взаємодії з плазмою.

6. Вперше протонним пучком збуджено ультразвукові акустичні коливання в твердотільному хвилеводі. З'ясовано, що в цьому випадку збуджуються та розповсюджуються нормальні коливання на частоті, що нижча за критичну. Механізм генерації є термопружний.

7. З'ясовано механізм утворення шаруватої структури зміцненої зони металів та сплавів при їх опроміненні сильнострумовим електронним пучком. Це явище проявляється при абляційному механізмі збудження пружних імпульсів. В цьому випадку всередині зразка встановлюється інтенсивна стояча акустична хвиля. Формування шаруватої структури відбувається в період розвитку температурно-фазових перетворень та впливу на матеріал інтенсивної стоячої пружної хвилі.

8. Вперше з'ясовано сукупність процесів, які відбуваються при збудженні інтенсивних пружних імпульсів у рідині в результаті інжекції в неї потужних потоків заряджених частинок. На відміну від відомих вибухових джерел енергії застосування з цією метою потоків заряджених частинок дозволило шляхом керування амплітудно-часовими характеристиками імпульсів енергії, що вводиться, уникнути виникнення ударної хвилі та значно підвищити ефективність збудження низькочастотних коливань. Механізм генерації коливань обумовлюється пульсацією парогазової порожнини, що виникла в рідині внаслідок виділення в ній енергії.

9. В ході виконання дисертаційних досліджень розроблено та апробовано комплекс нових вимірювальних діагностичних елементів, методик та пристроїв, зокрема: високовольтний омічний подільник з робочою напругою до 4МВ; вимірювання енергоємності потужного електронного пучка по радіаційному виходу гальмівного випромінювання; в процесі експлуатації потужного плазмового ерозійного прискорювача, як джерела сильнострумового дугового розряду, вперше було запропоновано використання магнітного ключа для комутації імпульсних сильнострумових електронних схем із нагромаджуваною енергією до 100кДж.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Експериментальне прискорення компенсованого сильнострумового іонного пучка в плазмі індукційним електричним полем з використанням магнітного “каспу” в одному прискорювальному проміжку дозволяє перейти до створення лінійного прискорювача важких частинок на енергію декількох МеВ і більше шляхом нарощування ідентичних прискорювальних секцій. Представлено концептуальний проект такого прискорювача на 5 МеВ. Розроблена математична модель прискорювальної секції дозволяє визначити всі необхідні параметри пучка при заданих характеристиках електричної схеми живлення та елементів прискорювача, зокрема, феромагнітного матеріалу індукторів.

2. Отримання мегавольтного сильнострумового електронного пучка з тривалістю імпульсу більше 10 мкс у прискорювачі прямої дії стало можливим завдяки визначенню діапазону параметрів джерела живлення та вакуумного діода, при яких найбільш ефективно здійснюється передача накопиченої електричної енергії в енергію електронного пучка. Створена математична модель цього процесу і отримані експериментальні результати можуть бути використані при проектуванні та створенні аналогічних прискорювальних комплексів.

3. Нові результати, отримані при дослідженні емісійних властивостей холодних катодів, можуть бути використані для збільшення тривалості імпульсів потужних електронних пучків.

4. Формування потужного мікросекундного пучка електронів у каналі сильнострумового дугового розряду високого тиску дозволяє отримувати вказані пучки без застосування засобів вакуумної техніки та використовувати їх для технологічних завдань: модифікації поверхневих властивостей матеріалів, плазмохімічних технологіях, для накачування газових лазерів.

5. Експериментальна перевірка основних положень теорії тривимірної релаксації пучків заряджених частинок (електронів і іонів) при їх взаємодії з плазмою становить не єдину практичну цінність цих результатів. Вони можуть бути використані при вирішенні завдання транспортування потужних пучків на значну відстань у плазмі та в нейтральному газі.

6. Ефективне збудження пучками заряджених частинок коливань у твердотільних акустичних хвилеводах і резонаторах відкриває перспективу застосування їх в ультразвуковій техніці.

7. Установлення механізму утворення шаруватої структури при зміцненні металів і сплавів мікросекундними пучками заряджених частинок дозволяє отримувати матеріали із заданими (програмованими) фізико-механічними властивостями та керувати процесом модифікації поверхні.

8. Використання потужних потоків заряджених частинок з великою тривалістю імпульсу для генерації інтенсивних низькочастотних гідроакустичних коливань необхідне для вирішення таких завдань, як гідроакустичний зв'язок, глибинний акустичний каротаж у геофізичних дослідженнях, при вирішенні завдань інтенсифікації видобування нафти та газу.

Особистий внесок автора в спільних дослідженнях, виконаних з іншими авторами, полягає в такому:

1. При виконанні робіт [3-5,7,23] автор безпосередньо брав участь у підготовці та проведенні експериментів щодо прискорення компенсованого пучка іонів у плазмі індукційними електричними полями з використанням магнітного бар'єру та гострокутної геометрії магнітного поля - магнітних “каспів”. Ним отримані усі основні залежності, представлені в дисертації з цього питання. Запропонована математична модель прискорювальної секції лінійного індукційного прискорювача.

2. У роботах [8-11,19,24,25] автором запропоновані та обґрунтовані фізичні принципи елементів та вузлів високовольтного вакуумного діода, генератора імпульсних напруг, а також елементів діагностики: високовольтного омічного подільника напруги, методу визначення енерговмісту електронного пучка щодо вимірювання радіаційного виходу рентгенівського опромінювання. Запропонована математична модель роботи генератора імпульсних напруг на високовольтний вакуумний діод, який працює в режимі вибухової емісії.

3. При виконанні роботи [13] автором запропоновано врахувати вплив краплинної фракції катодного факела і позитивних мікрочастинок на емісійні характеристики холодних вибуховоемісійних катодів. Запропонована математична модель, що враховує підсилення емісії позитивними мікроскопічними частинками.

4. У роботі [20] запропоновано використовувати для комутації сильнострумових електричних схем магнітний ключ з використанням феромагнетику з прямокутною петлею гістерезису та методику проведення експерименту.

5. У роботі [1] для експериментальної перевірки теорії тривимірної релаксації електронних пучків запропоновано створити умови, при яких у плазмі можливе розгойдування тільки косих коливань. Найбільш зручним виявилося збудження косого іонного звуку холодним пучком у гарячій плазмі.

6. У роботі [2] розроблено та реалізовано методику вимірювання функції розподілу електронного пучка при пучково-плазмовій взаємодії.

7. У роботі [6] при вивченні тривимірної релаксації іонного пучка запропоновано використовувати сильнострумовий пучок, що формується в лінійному плазмовому індукційному прискорювачі, а також методику проведення досліджень.

8. У роботі [15] запропоновано створити індуктивний генератор потужних мікросекундних імпульсів у вигляді колони сердечників із феромагнетику з прямокутною петлею гістерезису.

9. У роботі [22] запропоновано використовувати потужний потік заряджених частинок для інжекції в рідину з метою збудження інтенсивних акустичних імпульсів з керованими амплітудно-часовими характеристиками, щоб запобігти виникненню ударної хвилі.

10. Для виконання роботи [17] розраховано параметри пучка та характеристики середовища (твердого тіла), необхідні для ефективного збудження ультразвукових коливань, і дано їх ідентифікацію.

11. У роботі [10] запропоновано методику проведення експериментів.

12. Роботи [12,14,16,21] виконані самостійно.

За п.п. 1, 5-7 автор безпосередньо брав участь у підготовці та проведенні експериментів, брав участь в обговоренні та інтерпретації експериментальних результатів і написанні статей.

За п.п. 2,3,4,8-11 автор здійснював наукове керівництво роботами, які виконувалися, і безпосередньо брав участь у підготовці, проведенні експериментів, в обговоренні та інтерпретації отриманих результатів. Статті за вказаними матеріалами написані ним особисто.

Апробація результатів дисертації. Результати, отримані в дисертації, доповідалися на таких конференціях, симпозіумах і нарадах:

· The 3-th International Topical Conference on High Power Electron and Ion Beam Reseach and Technology, Novosibirsk, 1979;

· The18^th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Eindhoven, the Netherlands, 1998;

· The 19-th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Xi'an, China, 2000;

· The 12-th IEEE International Pulsed Power Conference, California, USA, 1999;

· 3-ий Всесоюзный симпозиум по сильноточной импульсной электронике, Томск, 1978;

· 5-ый Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике, Томск,1984;

· 6-ий Всесоюзний семінар по лінійним прискорювачам, Харків, 1979;

· 16-ий Міжнародний семінар по лінійним прискорювачам заряджених частинок, Алушта, Крим,1999;

· 17-ий Міжнародний семінар по прискорювачам заряджених частинок, Алушта, Крим, 2001;

· Всесоюзная научно-техническая конференция “Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной, преобразовательной, сильноточной и полупроводниковой техники”, Москва, 1989;

· Зональная конференция “Обработка материалов высококонцентрированными источниками энергии”, Пенза, 1988;

· 2-а Регіональна науково-технічна конференція, Маріуполь, 1993;

· 4-а Регіональна науково-технічна конференція, Маріуполь, 1997.

Публікації. Результати, отримані в дисертації, опубліковані в 21 науковій статті спеціалізованих видань [1-21], одному патенті України [22], у 3 статтях інших видань [23-25], а також у 18 матеріалах і тезах міжнародних, національних симпозіумів і конференцій [26-43]. Статті [1-22] задовольняють вимогам ВАК України щодо публікацій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів основного тексту з 107 рисунками і 7 таблицями, висновків, списку використаних літературних джерел з 274 найменуваннями. Повний обсяг дисертації становить 329 сторінок, 1 рисунок розташований на всій площі сторінки, список використаних літературних джерел міститься на 27 сторінках.

Основний зміст

У першому розділі за темою дисертації наведений огляд літератури і визначені напрямки досліджень. Спочатку розглянуто метод прискорення частинок у плазмі індукційними електричними полями, запропонований Я.Б. Файнбергом. Використання плазми у прискорювальному тракті дозволяє скомпенсувати кулонівські сили розштовхування сильнострумового пучка і суттєво збільшити його струм. Застосування індукційних електричних полів для прискорення заряджених частинок дозволяє збільшувати їх енергію без значного підвищення статичних напруг. Це підтверджено експериментально при дослідженні лінійного плазмового бетатрона. Ще більший інтерес представляє прискорення іонної компоненти. Однак при цьому необхідно забезпечувати умови, при яких енергія прискорювального поля буде передаватися іонам, а не електронній компоненті плазми. Для цього доцільно використовувати схрещені електричні та магнітні поля. Указані системи запропоновані А.І. Морозовим і С. Хемфрі. Однак створення прискорювачів на велику енергію в даному випадку неможливе, оскільки в них використовуються статичні напруги. Тому перспективним є застосування у вказаних системах індукційних електричних полів і створення на основі цього лінійного плазмового індукційного прискорювача іонів.

Потім проаналізовані принципи отримання мікросекундних релятивістських електронних пучків (РЕП) у прискорювачах прямої дії. Сьогодні найбільш перспективними є системи, які працюють за схемою генератора імпульсних напруг (ГІН) - вакуумний діод з холодним вибуховоемісійним катодом. Збільшенню тривалості імпульсу пучка заважає ряд факторів. Найбільш суттєві з них - електричний пробій у вакуумі, що приводить до перекриття плазми катодного й анодного факелами прискорювального проміжку, і важкість в узгодженні хвильового опору ГІНа з активним навантаженням діода. Для усунення першої проблеми успішно застосовується магнітна ізоляція. Однак проблема узгодження ГІНа з діодом, який є нелінійним елементом, не вирішена. Це заважає подальшому підвищенню ефективності передачі електричної енергії, нагромадженої в генераторі, в енергію електронного пучка.

Важливим елементом у високовольтному вакуумному діоді є холодний катод, який працює в режимі вибухової електронної емісії (ВЕЕ). Процеси, які відбуваються при розвитку ВЕЕ, досить добре вивчені та описані в літературі. Суттєвим фактором при переході до мікросекундних імпульсів у роботі вибуховоемісійного катода є наявність краплинної фракції. Вивченню характеристик краплинної фракції останнім часом присвячена велика кількість робіт. Це пов'язано з тим, що залишається невивченим таке питання: яку роль відіграють мікрочастинки, які утворюються, пасивну чи активну, у розвитку електричного вакуумного розряду. Г.А. Мєсяцем була висловлена пропозиція про те, що мікроскопічні краплі, потрапляючи на катод, можуть бути причиною виникнення нових ектонів. Вивчення цього питання становить підвищений інтерес.

Наведено огляд робіт, в яких знайдено ефект прискорення електронів електричним полем у газі високого тиску - порядку атмосферного. Цей факт підтверджується рентгенівським опромінюванням, зареєстрованим при проведенні дослідів. Причина прискорення - явище збігання електронів (run away effect). Це відбувається, коли електрична сила, що прискорює електрони, перевищує силу тертя, зумовлену іонізаційними втратами в речовині. Тривалість імпульсу прискорених пучків при цьому становить не більше десятка наносекунд. Природно, що виникає питання: чи можна реалізувати умови, за яких тривалість імпульсу збільшиться до мікросекунд?

Наведені основні положення теоретичних і експериментальних результатів дослідження пучково-плазмового розряду. Зокрема, представлені основні висновки лінійної та квазілінійної теорії для релятивістських і нерелятивістських пучків, описані нелінійні ефекти. Відзначено, що всі теоретичні результати знайшли експериментальне підтвердження. Потім наведені основні положення теорії тривимірної релаксації пучків у плазмі, важливою особливістю якої є розмиття пучка як за поздовжніми, так і за поперечними швидкостями. Для цього необхідне розкачування косих плазмових коливань. Характер пучково-плазмової взаємодії, як правило, є тривимірним процесом, що знаходить і експериментальне підтвердження. Однак відсутні експерименти, в яких однозначно ідентифіковані типи плазмових коливань, відповідальні за тривимірну релаксацію. Складність експерименту полягає в тому, що спектр коливань, що збуджуються пучком у плазмі, має широкий діапазон як за частотами, так і за хвильовими векторами. Тому для однозначної ідентифікації типів плазмових коливань, що приводять до тривимірної релаксації пучків, потрібне проведення додаткових досліджень.

Викладені елементарні механізми і макроскопічні ефекти при взаємодії пучків заряджених частинок з твердим тілом. Особлива увага приділяється акустичним ефектам і температурно-фазовим перетворенням. У зв'язку з цим становить особливий інтерес використання пучків заряджених частинок для генерації звукових коливань у твердотільних акустичних хвилеводах і резонаторах, а також для модифікації поверхневих властивостей металів і сплавів. Збудження інтенсивних акустичних імпульсів у твердому тілі є фактом, який має надійне експериментальне підтвердження. Однак досліди щодо збудження акустичних хвилеводів і резонаторів не проводились. Крім того, використання для цієї мети іонних пучків є більш перспективним, ніж електронних, оскільки у випадку іонних пучків питоме енерговиділення в речовині значно вище, ніж у випадку електронних. Застосування пучків заряджених частинок для модифікації поверхневих властивостей металів і сплавів широко використовується в технологіях. Однак у ряді випадків утворюється шарувата зміцнена структура, механізм виникнення якої до кінця залишається не з'ясованим. Є підстави передбачати, що причиною цього є спільний вплив у речовині (твердому тілі) температурних полів і акустичних імпульсів. Однак для вивчення цього явища необхідні додаткові експериментальні дослідження.

Подано опис фізичних процесів, що відбуваються в рідині при генерації акустичних полів потоками заряджених частинок. Збудження звукових коливань у рідині при інжекції в неї зарядженої частинки вперше було розглянуто Г.А.Аскарґяном. Наведений в огляді аналіз дозволив установити, що механізм збудження звуку аналогічний як у випадку гальмування в рідині одиничної зарядженої частинки, так і при виділенні енергії в будь-якій формі: вибуху твердих або газоподібних вибухових речовин, електрогідравлічного розряду і т. і.. Генерація відбувається в результаті утворення і подальшої пульсації парогазової порожнини. Причиною утворення порожнини є енергія, яка виділилася в рідині. Використання для цієї мети твердих вибухових речовин, електрогідравлічного розряду приводить до утворення ударної хвилі, енергія якої, врешті-решт, дисипує в тепло. При цьому втрачається енергії, яка виділяється в рідину. Тому перспективними з цієї точки зору є потоки заряджених частинок, які дозволяють керувати амплітудно-часовими характеристиками виділення енергії та запобігти виникненню ударної хвилі. Однак такий підхід вимагає додаткових досліджень.

Таким чином, проведений літературний огляд дозволив сформувати проблему й визначити напрямки досліджень, результати яких представлені в подальших розділах.

У другому розділі наведені результати досліджень прискорювання іонів у плазмі індукційними електричними полями. Подано опис експериментальної установки й методів діагностики плазми і отриманого пучка іонів. Основним елементом установки є прискорювальна секція лінійного індукційного прискорювача з феромагнітними сердечниками, виконаними із сталі 50 Нп з прямокутною петлею гістерезису. Імпульсна напруга, яка індукована, може досягати 200 кВ. Разом з сердечниками встановлювалася трубка дрейфу, яка представляла собою систему соленоїдів. При цьому забезпечувалося зшивання магнітних полів ліворуч і праворуч від трубки дрейфу, для створення яких використовувалися додаткові соленоїди. Застосовувалися імпульсні магнітні поля. Максимальна величина магнітної індукції досягала 1Тл. Система індукторів і прискорювальна трубка складали прискорювальну секцію. Плазма в прискорювальній трубці створювалася попередньо в результаті інжекції електронного пучка в нейтральний газ. В якості робочих газів були вибрані: аргон, водень та гелій. Для вимірювання густини плазми використовувалася зондова і НВЧ діагностика з довжиною хвилі 8 мм і 3 см. Як колектори струму отриманого пучка іонів служили циліндри Фарадея, його вимірювання здійснювалося поясами Роговського і набором шунтів. Поперечні розміри пучка визначалися за допомогою відбитків його на полірованій свинцевій пластині або оргсклі, а також використовувався набір вузьких колекторів. Для визначення енерговмісту пучка використовувався калориметр - цинкова пластина з термопарою, яка встановлювалася на дні колектора. Енергія пучка визначалася за допомогою прольотного аналізатора - для іонів аргону. Для визначення енергії протонного пучка використовувалася ядерна реакція , поріг якої становить 90 кеВ.

У першій групі дослідів для збільшення рухомості електронної компоненти вздовж напрямку прискорення іонів використовувався магнітний бар'єр у вигляді різкого градієнта поздовжнього магнітного поля - магнітної пробки. Пробкове відношення дорівнювало трьом. Рух іонів відбувався в область підвищеного магнітного поля. У мінімумі величина індукції становила 0,1Тл, густина плазми не перевищувала . Градієнти густини плазми і магнітного поля протилежні. В області підвищеного поля (за пробкою) густина плазми становила . Падіння прикладеної прискорювальної напруги відбувалося в області градієнта магнітного поля. У даному випадку були одержані пучки іонів аргону, гелію і водню з енергією до 100 кеВ. Максимальний струм досягав 350 А, густина струму становила 15 А/см, тривалість імпульсу пучка ~ 1мкс. Формування і транспортування пучка іонів здійснювалося в плазмі.

У другій групі дослідів досліджувалося формування і прискорення іонів у магнітному полі гострокутної геометрії типу магнітних “каспів”. Магнітний “касп” утворювався в результаті зустрічного вмикання двох сусідніх котушок магнітного поля. Густина плазми, попередньо створеної, в “каспі” досягала , а в області дрейфу . Падіння прикладеної напруги, що прискорює, також відбувалося в області градієнта поздовжнього магнітного поля. У цих дослідах при енергії 100 кеВ максимальний струм пучка прискорених іонів становив А при тривалості імпульсу ~ 1мкс. Густина струму досягала . В обох групах дослідів виконувалася умова вмороженості електронної компоненти в магнітні силові лінії. Ларморівський радіус іонів був значно більшим за поперечні розміри камери, діаметр якої становив см. В умовах експерименту у рівнянні руху електрона можна прийняти, що: Тут - маса електрона, - його упорядкована швидкість, - кулонівська провідність, - густина струму, і - напруженість зовнішнього електричного поля і магнітної індукції, n- густина плазми, - тиск електронної компоненти. У цьому випадку електричне поле, що прискорює, дорівнюється , а електронна компонента дрейфує у схрещених полях зі швидкістю . У цьому випадку силові лінії магнітного поля є еквіпотенціалями, оскільки.

Експериментальне підтвердження можливості прискорення іонного пучка в одному “каспі” дозволяє перейти до концептуального проекту створення лінійного плазмового індукційного прискорювача іонів на енергію до 5 МеВ, який розглянуто. Створення прискорювача можливо шляхом послідовного вмикання ідентичних прискорювальних секцій, які містять магніті “каспи”.

При роботі індукційного прискорювача важливим є питання формування струму в інжекторі, прискорювальної напруги секції та її к.к.д (). Тому у даному розділі наведена математична модель прискорювальної секції лінійного індукційного прискорювача, а також результати чисельного розв'язання рівнянь, які використовуються. Повна система рівнянь, що описує роботу прискорювальної секції або індуктора, має вигляд (1), (2):

Рис. 1 Принципова електрична - напруга, яка прискорює пучок на довжині

, (1) . (2)

, і - коефіцієнти, що залежать від емісійних властивостей діода щодо певного роду прискорювальних частинок. В результаті одержується система із рівнянь з невідомими і одним . Схема живлення індуктора при цьому може виглядати так, як зображена на рис.1. У системі рівнянь і в схемі введені позначення: - повна індуктивність і ємність неоднорідної формуючої лінії (НФЛ) з індексом k, I_k - відповідний струм, - напруга її зарядки, - коефіцієнт заповнення сердечника, S- площа його поперечного перерізу, схема окремого індуктора. індуктора, - індуктивність розсіювання пучка в області прискорення на довжині одного індуктора, і - залишкова індукція і індукція насичування, і - динамічний опір і електропровідність матеріалу сердечника, - товщина стрічки, сердечника, - товщина стрічки, - поле старту, - число незалежних контурів НФЛ, n- число шарів, на які умовно при лічбі розбивається сердечник (у кожному шарі індукція від радіуса вважається постійною), R_n - радіус n - го шару. Запропонована модель дозволяє розраховувати форму імпульсу струму і напруги з урахуванням конкретних параметрів проектованого прискорювача, яка може наближатися до прямокутної, визначати залежність к.к.д. секції від її конструктивних параметрів і параметрів пучка. Максимальний к.к.д. ідеального прискорювача може досягати 90%. Цей режим реалізується у випадку узгодження опору неоднорідної лінії, яка формує живильний індуктор прискорювальної секції, і пучка. Сформульована умова цього узгодження.

У третьому розділі представлені результати дослідження фізичних процесів, які протікають при формуванні і прискоренні потужного релятивістського електронного пучка мікросекундної тривалості в прискорювачі прямої дії. Спочатку викладено фізичне обґрунтування елементів і вузлів прискорювального комплексу. Як джерело імпульсів високої напруги створено генератор імпульсних напруг (ГІН), з параметрами: робоча напруга - до 4 МВ, енергія, яка запасається - 0,32 МДж. Наведена і обґрунтована принципова електрична схема, розглянуті питання комутації і електричної ізоляції конструкції. Ці питання особливо важливі, оскільки прискорювальний комплекс виконаний на відкритому повітрі, поза приміщенням. ГІН навантажений на вакуумний високовольтний діод з холодним катодом, який працює в режимі вибухової електронної емісії. Наведено опис магнітної системи діода з магнітною ізоляцією. У цьому випадку в якості анода використовувався одношаровий соленоїд жорсткої конструкції. У соленоїді створювалося імпульсне магнітне поле з амплітудою магнітної індукції до 1 Тл. Також описані методики і елементи діагностики параметрів отриманого РЕП. Для проведення вимірювань на даному прискорювальному комплексі розроблено омічний подільник високих напруг до 4 МВ, досліджена його перехідна функція. Розроблені низькоомні малоіндуктивні шунти для вимірювання імпульсних струмів до 50 кА. Розроблена методика вимірювання енерговмісту сильнострумового імпульсного електронного пучка щодо радіаційного виходу гальмівного випромінювання. Методика ґрунтується на вимірюванні гальмівного випромінювання за один імпульс.

Далі наведені результати експериментального дослідження параметрів створеного генератора імпульсів. Визначальними параметрами є: індуктивність ГІНа, індуктивність контуру розряду генератора на вакуумний діод, паразитна ємність, тривалість фронту хвилі напруги і тривалість імпульсу. Для визначення цих параметрів проводилися досліди холостого ходу, короткого замикання, дослід з увімкненням частини конденсаторних ступенів. Експериментально отриманим параметрам генератора передували розрахункові параметри за відомими методиками. Відхилення розрахункових параметрів від виміряних не перевищує 10%. Створені високовольтний генератор імпульсних нyапруг і вакуумний діод можна представити схемою заміщення, яка наведена на рис.2.

Позначення, які наведені на схемі: С₁ = 0,04мкф - ємність генератора в розряді; = 100 мкГн - індуктивність генератора; L₂= 50мкГн, - індуктивність петлі розряду; C₂=300пф - паразитна ємність діода; С₃=330пф - паразитна ємність генератора;

Рис. 2 Схема заміщення ГІНа і діода. =7,8кОм -результуюча величина розрядно-зарядного опору

R₁=R₂ =10 Ом-додаткові демпфірувальні опори; - нелінійний опір навантаження діода. Проведені вимірювання параметрів отриманого електронного пучка в залежності від великої кількості факторів. Використовувалися багатовістрійні та плоскі катоди, змінювався їх діаметр, матеріал катодів та відстань катод-анод. Найбільш оптимальним є використання плоских графітових катодів. Застосування магнітної ізоляції практично в два рази збільшує тривалість пучка. В результаті проведення експериментів вдалося встановити, що існує вузький діапазон параметрів діода (діаметр катода і відстань катод-анод), в межах якого відбувається ефективна передача енергії, яку запасли в ГІНі, в енергію електронного пучка. Параметри отриманого пучка: енергія - 1,2^. 10⁶ еВ, струм - до 12 кА, тривалість імпульсу по основі - не менше 10 мкс.

Для більш глибокого розуміння цього явища було проведено чисельне моделювання розряду генератора імпульсних напруг на вакуумний діод з холодним вибуховоемісійним катодом. Схема заміщення генератора і діода, представлена на рис.2, може бути спрощена при проведенні розрахунків. Зокрема, дільниця ланцюга C₃R₃ може бути виключена із розгляду, оскільки . Задача про знаходження напруги на діоді, а також струму, який протікає через нього, розв'язувалась у два етапи. На першому етапі було знайдено розв'язок для параметрів ланцюга до моменту пробою діода. У цьому випадку припускалося, що прямує до нескінченності (струм через діод дорівнює нулю, генератор працює в режимі холостого ходу). Рівняння для заряду на конденсаторі має вигляд:

, (3)

де L=L₁+L_2, На другому етапі, при досягненні на конденсаторі напруги пробою на діоді U_пр, можна вважати, що через діод протікає струм, який описано співвідношенням . Тоді, застосовуючи правила Кірхгофа і здійснивши перехід від струмів до зарядів, можна отримати остаточну систему рівнянь (4), що досить повно описує процес розряду ГІНа на нелінійне навантаження - вакуумний діод з холодним вибуховоемісійним катодом. Причому, кінцеві умови, отримані при розв'язанні рівняння (3), є початковим умовами, необхідними для розв'язання системи (4). У поданих рівняннях введені позначення: і - струм діода в амперах і напруга, яка прикладена до нього, у вольтах, - площа катода й анода, - відстань між ними, - час, - швидкість руху катодного факела до анода. Індекси 1 і 2 відносяться до відповідних конденсаторів схеми рис. 2.

. ( 4 )

Характерні залежності, отримані при цьому, представлені на графіках рис.3.

Рис. 3. Залежність напруги на діоді від часу - зверху і залежність струму діода від часу - знизу. Параметром кривих є діаметр катода

Із поданих залежностей випливає, що незначна зміна діаметра катода з 0,14 м до 0,1 м суттєво знижує характер передачі енергії від генератора в пучок. Розряд із активного починає переходити в реактивний. Представлений чисельний результат добре узгоджується з експериментом, як для даного прискорювача, так і для інших аналогічних систем.

Далі вивчався вплив аерозольних мікрочастинок на емісійні характеристики холодних катодів сильнострумових прискорювачів. Наводяться результати статистичного аналізу краплинної фракції продуктів ерозії холодного катода. Краплі, осаджені на підкладку, аналізувалися за розмірами за допомогою електронного мікроскопа. Будувалися гістограми, потім були отримані функції розподілу частинок в залежності від їх діаметра. Отримані залежності мають явно виражений максимум.

Характерним є те, що максимум функцій розподілу практично дорівнює довжині вільного пробігу електронів-ферми в металах при кімнатній температурі для відповідних катодів. Крапля несе в собі спочатку негативний заряд, що підтверджується результатами досліджень ряду авторів. У сильному електричному полі з причини термоавтоелектронної емісії відбувається перезарядка краплі. Наявність позитивно зарядженої краплі безпосередньо біля катода, очевидно, може визначати його емісійні характеристики. Як вихідні умови, розглядався холодний металевий катод, який помістили в зовнішнє електричне поле Е₀. Електрони в металі знаходяться в потенційній ямі прямокутної форми. Однак стінка ями, обернена у вакуум, за рахунок поля Е₀ (згідно з ефектом Шоткі) і сил зображення електрона, деформується. Внаслідок цього вона перетворюється в потенційний бар'єр кінцевої ширини. Емісія електронів у вакуум стає можливою завдяки тунельному ефекту. Врахування позитивно заряджених аерозольних мікрочастинок додатково деформує потенційний бар'єр і полегшує умови емісії. Було записано рівняння потенційної енергії електрона в зовнішньому полі Е₀ при наявності близько розташованої позитивно зарядженої краплі, яке враховувало потенційну енергію взаємодії електрона зі своїм дзеркальним зображенням, потенційну енергію в зовнішньому полі, потенційні енергії взаємодії з зарядженою провідною кулею (краплею) та її зображенням, а також потенційну енергію взаємодії електрона з полем електричного диполя, індукованого зовнішнім полем в провідному шарі та його зображенням. На рис.4. представлені графіки залежності потенційної енергії від відстані електрона до катода x при різних значеннях відстані мікрочастинок від поверхні металу d. Із представлених залежностей випливає, що найбільш сильна деформація має місце при малих d. У цих випадках особливо помітне зниження висоти потенційного бар'єру. Представлені на графіку результати отримані при В/м, заряді краплі, ії радіусі нм, для нм.

Далі розглянуто вплив позитивно заряджених мікрочастинок на емісійні характеристики холодного катода з урахуванням наведеної деформації потенційної енергії. Чисельно розв'язувалася задача проходження електрона із металу через утворений потенційний бар'єр - задача тунельного ефекту. Рис.4. Деформація потенційної Встановлено, що заряджені мікрочастинки суттєво енергії електрона при різних впливають на емісійні характеристики холодного значеннях відстані мікрочастинки катода, вони можуть відігравати активну роль від поверхні катода. у самопідтриманні електричного розряду у вакуумі, що лише якісно відзначалося раніше. Наявність позитивно заряджених крапель біля поверхні катода зміню є структуру його енергетичної зони, приводить до деформації потенційного бар'єру, що полегшує вихід електронів із металу катода за рахунок явища тунельного ефекту. Отримана густина струму 10¹¹-10¹²А/м² цілком достатня для збудження нових ектонів.

У четвертому розділі представлені результати досліджень формування сильнострумового мікросекундного електронного пучка в каналі дугового розряду високого тиску. Для цього використано потужний імпульсний дуговий розряд, обмежений вузьким діелектричним каналом. Як експериментальна установка використовувався плазмовий торцевий ерозійний прискорювач.

Прискорення здійснювалося за допомогою додаткового імпульсу високої напруги. Схема експериментальної установки зображена на рис.5.

Схема складається з двох частин: схеми живлення власне плазмового прискорювача ПУ, розташованого праворуч від відсічного розрядника , і джерела додаткового імпульсу напруги негативної полярності, яка зображена ліворуч від вказаного розрядника. Подача запускаючого імпульсу до електродів прискорювача приводила до ініціації розряду між ними, після чого починалася комутація ємнісного нагромаджувача С2 через індуктивність L. В результаті цього між електродами плазмового

Рис. 5 Електрична схема плазмового прискорювача виникав імпульсний дуговий торцевого ерозійного прискорювача

Плазма позитивного стовпа в цьому випадку є трикомпонентною газовою сумішшю із електронів, однозарядових іонів і нейтральних атомів. При цьому , тут - температура електронів, однозарядних атомів і нейтралів, еВ, концентрація см^-3, ступінь іонізації , величина густини струму в позитивному стовпі дуги А/см². Енергія накопичувача становила 20-30 кДж. Надходження робочої речовини в об'єм каналу розряду в цьому випадку відбувалося за рахунок ерозії матеріалу електродів і випарювання речовини стінки діелектричної камери, з якої виконано корпус прискорювача. Характерною особливістю роботи такого прискорювача є те, що після формування потужного дугового розряду тиск у каналі між електродами підвищується і досягає величини 100-150атм. В результаті відбувається імпульсне витікання щільного плазмового згустку через кільцевий електрод в навколишнє середовище. Вимірювання залежності опору каналу розряду від часу показує, що опір починає різко зростати і в кінці імпульсу, після 1.5 мс, зростає настільки, що розряд припиняється. Відновлення електричної міцності проміжку в цих умовах можна пояснити різким зниженням тиску в каналі розряду. Наведено оцінки цього тиску, які базувались на аналізі кривої Пашена, залежності критичної довжини дуги , при якій відбувається гашення, від заданій напрузі і струмі . Величина тиску на момент гасіння дуги становить декілька торр. Під час припинення струму в каналі дугового розряду й зниження тиску до величини ~ 1торр прикладався негативний імпульс високої напруги ~ 200 кВ, який формувався додатковим джерелом. Джерело являє собою двоступеневий генератор Маркса (ліва частина схеми на рис.5). В результаті прикладання зовнішнього високовольтного мікросекундного імпульсу негативної полярності до проміжку плазмового прискорювача в ньому формується пучок швидких електронів, що підтверджується вимірюванням струму в ланцюгу розряду ГІНа, напруги, яка докладається до прискорювального проміжку, рентгенівського і НВЧ випромінювання. Вплив імпульсу напруги здійснювався на момент відновлення електричної міцності проміжку. Дана інтерпретація отриманих результатів. Ефект збігання електронів у даних умовах можливий, якщо величина відношення досягає величини, яка визначається за формулою , що отримана О.В.Гуревичем. У ній і вимірюються у В/см^.торр і еВ, відповідно. Значення , обчислені за вказаною формулою, дорівнюються (0,8-3,5)10³ В/см^.торр, що набагато нижче значень, які реалізуються в експерименті. Отже, за даних умов можливе виявлення ефекту збігання електронів.