Потужні мікросекундні пучки заряджених частинок і їх взаємодія з плазмою і конденсованими середовищами

При проведенні досліджень з плазмовим прискорювачем запропоновано застосування магнітного ключа для комутації сильнострумової імпульсної схеми дугового розряду, який являє собою нелінійну індуктивність з феромагнітним сердечником. Функція магнітного ключа полягає в розділенні сильнострумової схеми основного розряду і слабкострумового високовольтного запускаючого імпульсу. При малому струмі імпульсу сердечник ключа не виходить у режим насичування, чим забезпечується висока індуктивність і, отже, великий реактивний опір. Тому, практично вся енергія підпалювального імпульсу виділяється в комутованому проміжку. Після пробою проміжку основним розрядом і утворення каналу високої провідності феромагнетик переходить у режим насичування, що приводить до значного зменшення його магнітної проникності й індуктивності. Роль індуктивності у випадку переходу сердечника в режим насичування стає несуттєвою і не впливає на амплітудно-часові характеристики сильнострумового імпульсу. Проведено випробування магнітного ключа при комутації потужного дугового розряду на прикладі плазмового торцевого ерозійного прискорювача. При цьому підвищується надійність і значно збільшується ресурс роботи його елементів.

У п'ятому розділі представлені результати щодо експериментальної перевірки теоретичних положень тривимірної релаксації мікросекундних електронних та іонних пучків при їх взаємодії з плазмою. Для ідентифікації коливань, які відповідальні за механізм тривимірної релаксації електронного пучка, були поставлені спеціальні експерименти. Зокрема, пучково-плазмова взаємодія здійснювалася з плазмою з гарячими електронами, оскільки при цьому значно звужується спектр збуджуваних коливань і можна порівняно легко керувати напрямком їх поширення. Досліджувалася також динаміка функції розподілу електронного пучка при тривимірній релаксації.

Плазма з гарячими електронами створювалася в результаті пучково-плазмової взаємодії. Магнітна пастка пробкової конфігурації попередньо заповнювалася холодною водневою плазмою густиною 10¹³см^-3 за допомогою імпульсного титанового джерела. Потім в неї інжектувався електронний пучок з енергією 30кеВ, струмом 20А, тривалістю імпульсу 300мкс. В результаті пучково-плазмової взаємодії 1-10% електронів розігрівалися до температури кілька десятків кеВ. Після вимикання плазмового джерела і електронного пучка плазмі надавалася можливість розпадатися за 5-10мс при тиску 10^-5 торр. За цей час холодна компонента плазми виходила із пастки, і в системі залишалася плазма з високою температурою електронів. У високотемпературну плазму (кеВ, см^-3) повторно інжектувався електронний пучок зі швидкістю менше теплової швидкості електронів (енергія 2-15кеВ, струм ~10А, 200мкс). При цьому досліджувався спектр збуджуваних коливань у гарячій плазмі, енергетичні втрати електронного пучка, потенціал плазми, температура іонів.

Збудження однієї дисперсійної гілки косих коливань (іонно-звукових) електронним пучком у плазмі можливо у випадку, коли (швидкість частинок пучка менша за теплову швидкість електронів плазми). В цьому випадку розгойдується гідродинамічна нестійкість (, - інкремент, - тепловий розкид за швидкостями в пучку, k - хвильове число). Іонно-звукові коливання при даній нестійкості можуть зростати навіть у випадку ( інкремент затухання коливань на електронах плазми), що реалізовано в експерименті. У цьому випадку нестійкість є дисипативною і пов'язана з оберненням знака дисипації при наявності пучка в плазмі. Експериментально зареєстровані коливання, які розгойдуються на частоті , , - електронний дебаєвський радіус. Також виявлено, що є гранична швидкість пучка, вище якої нестійкість не виникає. Наявність граничної швидкості випливає з умови черенківського резонансу між швидкістю пучка та іонно-звуковими хвилями. Гранична швидкість, яка спостерігається експериментально, становить і близька до теоретичної оцінки (- швидкість звуку).

Досліджувалося проходження електронного пучка через плазму в залежності від його швидкості. Якщо швидкість пучка менша за швидкість , то пучок із пастки практично не виходив внаслідок сильного розсіювання на коливаннях. Втрати зменшувалися при наближенні швидкості до і цілком відсутні, якщо . Зареєстрований спектр коливань, залежність інтенсивності коливань від швидкості пучка - “зрив” нестійкості при великих швидкостях, вказують на збудження іонно-звукової нестійкості. Оскільки іонно-звукові коливання мають сильну просторову анізотропію (), поля цих коливань приводять до розсіювання електронного пучка, його розмиття не тільки за поздовжніми, але й за поперечними швидкостями. Підтвердженням цього є захоплення частини електронів пучка в магнітну пастку, нагромадженню їх та утворенню електростатичного потенціалу. Величина електростатичного потенціалу, виміряна електростатичним зондом, досягала 5-10кВ.

Досліджувалася також динаміка функції розподілу електронного пучка в умовах тривимірної релаксації. Дослідження проводилися при взаємодії електронного пучка з холодною плазмою, в якій були створені умови для збудження косих коливань на гармоніках електронної циклотронної частоти. Характер коливань у цьому режимі цуговий. Причиною виникнення цугів є, як відомо, ряд нелінійних ефектів. Виникнення цугів ВЧ коливань корелює з реєстрацією цугів рентгенівського випромінювання. Результати вимірювань енергетичного спектра пучка показали, що на функції розподілу утворюється плато. У режимі між цугами, коли переважають ленгмюрівські коливання, розмиття функції розподілу відбувається переважно в області менших енергій. Присутня невелика кількість частинок з енергією, яка перевищує енергію пучка. У режимі прямування ВЧ цугів і рентгенівського випромінювання, коли розвиваються шуми на електронно-циклотронних гармоніках, які поширюються під кутом до магнітного поля, кількість прискорених частинок пучка збільшується. Це також підтверджує факт кореляції косих плазмових коливань і тривимірної релаксації пучка.

Далі представлені результати щодо вивчення тривимірної релаксації потужного іонного пучка при пучково-плазмовій взаємодії. Параметри пучка: струм - до 4кА, густина струму - до 1,5кА/см², енергія - до 100кеВ при тривалості імпульсу 1мкс. Експерименти проводились з іонами аргону, гелію і водню. Густина плазми досягала 10¹³см^-3, зовнішня магнітна індукція - 0,7Тл. Зокрема, для іонів аргону в умовах досліду реалізується випадок . Це співвідношення виконується для енергії пучка 100кеВ, електронної температури плазми 10-100еВ, робочого газу аргону. У даному випадку ефективно збуджуються косі іонно-звукові коливання . Характерні частоти збуджуваних коливань лежать у межах і становлять величину Гц. Експериментальним підтвердженням збудження саме косих коливань є результат розсіювання частинок пучка і набуття ними поперечної складової швидкості. Факт збудження косих коливань підтверджується також утворенням плазми в поперечному перерізі розряду, що перевищує поперечний переріз пучка майже в два рази. Таким чином, із представлених результатів випливає, що релаксація сильнострумового іонного пучка при його взаємодії з плазмою також є тривимірною.

У шостому розділі представлені результати досліджень щодо збудження звукових коливань у твердому тілі мікросекундними пучками заряджених частинок. Спочатку викладені результати з генерації ультразвукових коливань в акустичному хвилеводі протонним пучком з параметрами: енергія - 5МеВ, струм пучка 5-20мА, тривалість імпульсу 5-20 мкс. Пучок протонів з указаними параметрами осаджувався на торець акустичного хвилеводу. Як акустичний хвилевод використовувалася призма із органічного скла з розмірами 1,5х1,5х60см. Вибір даного матеріалу зумовлений тим, що його хвильовий опір близький до хвильового опору рідин, з якими часто необхідно узгоджувати випромінювач. Збуджувані коливання реєструвалися датчиками, встановленими вздовж хвилеводу, сигнали з яких подавались на вхід електронного осцилографа. Досліджувалися амплітудно-часові характеристики збуджуваних коливань в залежності від параметрів пучка: тривалості імпульсу і струму, а також просторовий розподіл амплітуди акустичної хвилі у хвилеводі.

Встановлено, що у хвилеводі збуджуються коливання з характерною частотою ~(0,8-1)10⁵Гц, які затухають уздовж напрямку їх розповсюдження. Амплітуда тиску на відстані 15 см від області інжекції пучка досягає ~ 10³Па. Амплітуда коливань лінійно зростає із зростанням тривалості і струму пучка. Показано, що у даному випадку має місце термопружний механізм збудження коливань. Діапазон частот і тип коливань визначаються акустичними властивостями самої системи - акустичного хвилеводу, який збуджується зовнішньою вимушеною силою у вигляді удару (поштовху) діючого протягом тривалості імпульсу пучка. Акустичні характеристики хвилеводу визначаються його геометричними розмірами і пружними властивостями матеріалу. В даному випадку можливе поширення нормальних хвиль - гармонічних хвиль, які розповсюджуються уздовж хвилеводу. За структурою звукового поля кожна нормальна хвиля являє собою хвилю стоячу в поперечному напрямку і таку, що біжить уздовж хвилеводу. У твердих стержнях нормальні хвилі характеризуються критичними частотами та мають значну дисперсію. Акустичне поле хвилі, яка поширюється уздовж осі, визначається співвідношенням:

, (5)

де - амплітуда; - поперечний напрямок хвилеводу, і l - відповідні поперечні розміри, - номери (порядки) хвиль, які набувають значення 0,1,2,3,..., - хвильове число. Критична частота, нижче якої хвиля не поширюється, визначається із співвідношення:

. (6)

Якщо , фазова швидкість прямує до нескінченності, а групова - до нуля, тобто хвильовий рух перетворюється в коливальний з амплітудою, яка спадає уздовж хвилеводу за експоненціальним законом. Факт збудження саме цієї хвилі з n=1 і m=1 підтверджений експериментально.

Далі розглядається механізм формування шаруватої структури зміцненої зони металів і сплавів при опроміненні їх імпульсними сильнострумовими електронними пучками. Для пояснення цього явища пропонується розглянути сукупну дію на речовину пружних і теплових впливів. В експериментах використовувалися сильнострумові електронні пучки з енергією 50 і 500кеВ. Високоенергетичний пучок з енергією до 500кеВ, струмом до 10кА, тривалістю імпульсу по основі 10-15мкс формувався у прискорювачі, описаному в розділі 3. Сильнострумовий низькоенергетичний пучок з енергією до 50кеВ, струмом до 5 кА, тривалістю імпульсу до 1 мкс формувався в прямому газовому розряді низького тиску з холодним катодом.

Встановлено, що шарувата структура зміцненої зони в зразку утворюється у випадку розвитку абляційного механізму збудження пружних імпульсів, тобто, коли амплітуда акустичного поля значна. На рис.6 представлені фотографії поперечних шліфів зразків сталі 5ХНМ, які піддалися одноразовому опроміненню високоенергетичним електронним пучком з енергією 300кеВ. Фотографії отримані при коефіцієнті збільшення 200. На фотографіях зразків 2 і 3 чітко видна шарувата структура, яка йде за поверхневим білим шаром. Режим опромінювання зразків 2 і 3 відрізняється від режиму 1 тим, що в цьому випадку не реалізована умова виникнення абляції. У режимах 2 і 3 розвивається абляція. Періодичний характер також має і мікротвердість зразка в залежності від глибини. Слід відзначити, що просторовий період шарів порядку глибини білого шару ~ 10мкм, який отримано в результаті плавлення і подальшого швидкого охолодження, дорівнює.

Рис. 6 Поперечні шліфи зразків цьому в зразку зареєстрована інтенсивна стояча хвиля, після одноразового опромінювання період якої становить порядок глибини білого пучком. Шару

Така ж особливість спостерігається і при переході до низькоенергетичного пучка з енергією 50 кеВ. Період у цьому випадку становить ~ 1мкм, що є величиною порядку довжини втрат частинок у металі. Тому можна вважати, що в поверхневому шарі розплавленого металу, який являє собою резонатор, збуджуються інтенсивні коливання. За рахунок акустичного зв'язку вони поширюються вглиб зразка, всередині якого виникає стояча хвиля. Спільний вплив інтенсивних пружних коливань у зразку і температурного поля, яке знижує межу плинності металу, приводять до явища наклепу в області пучності стоячої хвилі.

У сьомому розділі представлені результати досліджень щодо використання потужних потоків заряджених частинок для генерації інтенсивних акустичних полів у рідині. Як джерело потоку заряджених частинок застосовано плазмовий торцевий ерозійний прискорювач. Принцип роботи прискорювача ґрунтується на створенні сильнострумового дугового розряду високого тиску в об'ємі, обмеженому діелектричними стінками - у вузькому циліндричному діелектричному каналі. Струм електричної дуги при цьому досягає десятки кА, температура плазми - 4^.10⁴ К, її густина ~ 10¹⁷-10¹⁸см^-3, тривалість імпульсу ~ 10^-2 - 10^-3 c, тиск у каналі розряду - десятки МПа. Переваги плазмових генераторів акустичних імпульсів, порівняно з вибуховими джерелами, полягають у тому, що при інжекції потоку заряджених частинок, які формуються прискорювачем, вдається запобігти утворенню ударної хвилі. Це зумовлено тим, що процес виділення енергії в рідині в цьому випадку є керованим у часі. Для опису характеру пульсації парогазової порожнини після інжекції потоку заряджених частинок у рідину можна застосовувати рівняння Релєя, яке після ряду перетворень, виконаних К.А.Наугольних і Н.А. Ройем, має вигляд:

. (7)

Тут - об'єм розширювальної сфери, - її радіус, - залежність впровадженої енергії від часу, - густина рідини, - показник адіабати. Розв'язок цього рівняння дозволяє визначити параметри порожнини в будь-який момент часу (змінний радіус -, швидкість -, прискорення -), що, у свою чергу, в припущенні адіабатичності процесу дозволяє визначити тиск у ній і характеристики випромінюваного акустичного імпульсу: акустичний тиск, акустичний к.к.д. Для усунення виникнення ударної хвилі слід виконати умову , - час виділення енергії. Експериментальна установка, що використовувалась для проведення досліду, зображена на рис.7.

Установлено, що при інжекції потужного плазмового згустку в рідині збуджується імпульс стискання з амплітудою до 2,6^.10⁵Па і тривалістю 0,8мс по основі, а також має місце незначний за амплітудою імпульс розрядження з негативним тиском 2,5^.10⁴Па і тривалістю 0,4мс. Повністю відсутній другий і третій імпульси стискання, що дуже важливо в сейсморозвідці на акваторіях і акустичному каротажі. Як і слід очікувати, збільшення часу виділення енергії виключило утворення ударної хвилі і високочастотних гармонік.

Наведені оцінки акустичного к.к.д., які дають величину 5-6%.

Далі представлені результати щодо вивчення електричних і енергетичних характеристик імпульсного плазмового низькочастотного випромінювача акустичних імпульсів, який працює при зануренні в рідину. Подібні дослідження раніше не проводилися. Важливою характеристикою роботи плазмового прискорювача є опір

Рис. 7 Схема генератора плазми каналу розряду

Опір розряду може і проведення досліду: визначатися багатьма факторами: 1- діелектричний корпус плазмової індуктивністю і ємністю С ланцюга, гармати; 2- стержневий електрод; напругою на розрядному проміжку, довжиною 3-кільцевий електрод; Н-ємнісний міжелектродного зазору, розмірами і накопичувач. енергії. матеріалом діелектричного корпусу.

Залежність опору від вказаних величин дозволить зрозуміти механізм провідності каналу розряду. Встановлено, що електричні параметри ланцюга при фіксованих геометричних розмірах камери прискорювача практично не впливають на опір каналу розряду. Із представлених експериментальних результатів випливає, що провідність каналу розряду досліджуваного генератора зумовлена класичною моделлю провідності. Відсутність залежності опору від прикладеної напруги та жорстка лінійна залежність від довжини проміжку вказують на несуттєву роль колективних процесів у розряді - турбулентний механізм провідності. При цьому визначальними є теплофізичні властивості матеріалу діелектричного корпусу генератора. Найбільший практичний інтерес становлять розряди з максимальною передачею енергії нагромаджувача в плазму. Для досліджуваної конструкції прискорювача експериментально визначені оптимальні параметри прискорювача, які відповідають умовам повної передачі енергії нагромаджувача в плазмовий згусток.

Далі наведені результати чисельного моделювання процесів генерування акустичних імпульсів з використанням плазмових генераторів. Розв'язувалося рівняння (7). Відмінність вказаних систем від електрогідравлічного розряду полягає в тому, що в плазмовому джерелі розвиток розряду, який використовується, відбувається не в рідині, а в попередньо створеному повітряному об'ємі (початковому об'ємі). В результаті встановлено, що початковий об'єм сильно впливає на подальшу динаміку розвитку розряду і на акустичні характеристики імпульсу, який випромінюється. Існує оптимальна величина початкового об'єму, при якому можлива найбільш ефективна передача накопиченої електростатичної енергії в акустичну.

Запропоновано використання створеного плазмового генератора акустичних імпульсів для інтенсифікації видобування нафти й газу та попередні результати його застосування на газовій свердловині. На відміну від відомих способів впливу на продуктивний пласт пружними імпульсами пропоноване джерело розташовувалося на поверхні свердловини, що значно зменшувало час виведення свердловини із неробочого стану. При цьому канал свердловини використовувався як акустичний хвилевід. Крім того, генератор акустичних імпульсів, який використовується, має значно більшу потужність, ніж генератори, що застосовувалися раніше для цієї мети. Попередні експерименти зафіксували позитивний ефект.

Висновки

В дисертації з'ясовано нові фізичні закономірності формування та прискорення потужних мікросекундних електронних та іонних пучків, що дозволило вирішити проблему подальшого покращення їх параметрів: тривалості імпульсу, струму та енергії. Окрім того, експериментально підтверджені основні положення теорії тривимірної релаксації пучків заряджених частинок при їх взаємодії з плазмою, вперше здійснено збудження акустичних структур - хвилеводів і резонаторів пучками заряджених частинок та гідроакустичних коливань при інжекції потужних потоків заряджених частинок у рідину. Встановлено фізичні механізми їх збудження та запропоновано практичні рекомендації з приводу використання цих явищ.

Основні результати, які одержані в ході роботи над дисертацією, зводяться до наступних:

1. Вперше експериментально вивчені фізичні закономірності прискорення компенсованих сильнострумових іонних пучків у плазмі індукційними електричними полями. З'ясовано, що формування та прискорення пучків іонів відбувається в області неоднорідності аксіального магнітного поля. Найбільш ефективним виявляється створення магнітного “каспу”--поля, що утворюється зустрічним вмиканням двох сусідніх котушок. Прискорення має місце у випадку формування еквіпотенціалей, тобто, коли електронна компонента плазми вморожена в магнітні силові лінії, а ларморовський іонний радіус значно перевищує поперечний розмір прискорюючої камери. Як наслідок, в одиничному прискорюючому проміжку вдалося одержати пучки іонів аргону, гелію та водню з параметрами: енергією до 100кеВ, струмом до 4кА та тривалістю імпульсу біля основи до 1мкс. Ці параметри були граничними для мікросекундних іонних пучків на момент їх одержання.

2. Сполучення магнітних “каспів” в плазмі та індукційного електричного поля дозволяє здійснювати нарощування ідентичних прискорюючих проміжків та відкриває можливість створення сильнострумового плазмового індукційного прискорювача іонів з енергією до кількох МеВ. Запропоновано концептуальний проект такого прискорювача. Розроблено математичну модель прискорюючої секції індукційного прискорювача, в якій враховані всі основні характеристики феромагнітного індуктора, а також вплив струму пучка на процес формування імпульсу прискорюючої напруги, чисельно розв'язана самоузгоджена задача. Запропонована модель дозволила розрахувати форму імпульсу струму та напруги з урахуванням конкретних параметрів прискорювача, що проектується.

3. Досліджено фізичні процеси та фактори, які впливають на параметри потужного електронного пучка, який формується в прискорювачі прямої дії. З'ясовано, що найбільш істотним є процес узгодження роботи ГІНа на нелінійне навантаження--вакуумний діод з холодним вибухоемісійним катодом. При цьому існує вузький діапазон параметрів діода і ГІНа, в якому можлива ефективна передача накопиченої електричної енергії в енергію електронного пучка. Необхідний діапазон параметрів для прискорювача, що досліджується, з'ясовано експериментально, а також запропоновано математичну модель для його визначення. Це дало змогу одержати максимальні параметри пучка для тих часів: з амплітудою струму 12^.10³А, енергією 1,2^.10⁶ еВ, тривалістю імпульсу біля основи 15 мкс. Енергія, що переносилась пучком, досягла 100кДж.

4. Експериментально та методом чисельного моделювання з'ясовано роль крапельної фракції в ході розвитку сильнострумового мікросекундного розряду у вакуумному діоді. Проведено вимірювання функції розподілу частинок в залежності від їх діаметру. З'ясовано, що мікрочастинки мають характерний розмір порядку довжини вільного пробігу електронів-фермі у металі. Краплі, що розлітаються, можуть набувати позитивного заряду. Взаємодія позитивно зарядженої краплі з поверхнею катода в сильному зовнішньому полі призводить до зміни енергетичної структури системи катод-крапля, деформації потенціального бар'єру та полегшенню виходу електронів із катоду. Струм автоелектронної емісії при цьому досягає 10¹¹-10¹² А/м², що може сприяти виникненню нових ектонів. Таким чином, крапельна фракція грає активну роль у підтриманні потужного вакуумного розряду в мікросекундному діапазоні імпульсів.

5. Вперше в каналі потужного дугового розряду, в результаті дії додаткового імпульсу високої напруги в міжелектродному проміжку, зареєстровано формування сильнострумового електронного мікросекундного пучка. Розряд ініційовано при атмосферному тиску всередині простору, який обмежений вузьким діелектричним каналом. Прискорення відбувається за рахунок явища втікання електронів, коли електрична сила, що прискорює електрони, перевищує силу тертя, обумовлену іонізаційними втратами у речовині. Пучки заряджених частинок, які одержано без застосування засобів вакуумної відкачки, є більш технологічними при модифікації поверхневих властивостей матеріалів, накачки газових лазерів.

6. Вперше експериментально підтверджені основні положення теорії тривимірної релаксації електронних та іонних пучків у плазмі. Ідентифіковано різновиди коливань, які обумовлюють тривимірну релаксацію - косі плазмові коливання. При проведенні дослідів із електронним пучком для ідентифікації коливань були створені умови, при яких збуджувалась лише одна вітка - косий іонний звук. Цього вдалося досягти при інжекції електронного пучка в гарячу плазму, для випадку . Відмічена дифузія функції розподілу електронів пучка як по поздовжнім, так і поперечним швидкостям. Одержані результати узгоджуються з теорією тривимірної релаксації пучків заряджених частинок при їх взаємодії з плазмою.

7. Вперше вивчена взаємодія сильнострумового іонного пучка з щільною плазмою. Зареєстровано інтенсивний розвиток іонного пучково-плазмового розряду за цих умов. Якщо для швидкості частинок пучка та швидкості звукових коливань виконується співвідношення , то відбувається збудження косого іонного звуку, як наслідок цього, реєструється гальмування початкового моноенергетичного пучка та його кутове розсіяння. Це свідчить про те, що збудження косих коливань в плазмі призводить до тривимірної релаксації також для випадку сильнострумового іонного пучка.

8. Вперше експериментально здійснено збудження акустичних структур--резонаторів та хвилеводів пучками заряджених частинок. Протонним пучком з енергією 5МеВ, струмом до 20мА, тривалістю імпульсу 5--20мкс збуджено гармонічні хвилі в акустичному хвилеводі. Збудження здійснювалось за рахунок термопружного механізму. З'ясовано, що характер та частота коливань, що збуджувались, визначаються коливальними властивостями самої системи--геометричними розмірами хвилеводу. Якщо тривалість вимушуючої сили (тривалість пучка) значно менша за період власних коливань системи, то збуджуються нормальні коливання на надкритичних частотах. Фазова швидкість цих хвиль прямує до нескінченності, а групова до нуля. Одержані результати дають можливість створити принципово нові генератори потужних ультразвукових коливань.

9. З'ясовано механізм утворення шаруватої структури зміцненої зони металів та сплавів під дією сильнострумових імпульсних електронних пучків. Експериментально підтверджено, що шаруватий характер зміцненої зони виникає за рахунок абляційного механізму взаємодії пучка з поверхнею твердого тіла. В цьому випадку формується додатковий імпульс тиску, що призводить до збудження поверхневого шару розплавленого металу, який є акустичним резонатором. Коливання за рахунок акустичного зв'язку розповсюджуються вглиб зразка, у товщі якого виникає стояча хвиля. Сукупна дія інтенсивних пружних коливань всередині зразка та температурного поля, яке знижує границю плинності металу, призводять до виникнення явища наклепу в області пучності стоячої хвилі. Цей механізм відкриває нові можливості для одержання матеріалів із програмованими фізико-механічними властивостями.

10. Вперше запропоновано новий спосіб генерації інтенсивних низькочастотних гідроакустичних імпульсів, який базується на інжекції потужних потоків заряджених частинок у рідину. На відміну від відомих генераторів, які використовують вибух твердих вибухових речовин і електрогідравлічний розряд, застосування для цієї мети потужних потоків заряджених частинок дозволяє керувати амплітудно-часовими характеристиками введення енергії в рідину та уникати виникнення ударної хвилі. Це дає змогу більш ефективно перетворювати нагромаджену електричну енергію в енергію гідроакустичних імпульсів. Генерація коливань відбувається за рахунок пульсації парогазової порожнини, яка виникає при виділенні енергії в рідині.

11. Вперше запропонована та продемонстрована можливість інтенсифікації видобутку нафти та газу з використанням потужних генераторів гідроакустичних імпульсів, встановлених на поверхні свердловини. Високі енергетичні характеристики та низькочастотний характер спектру імпульсів, що генерувалися, призвели до збудження непродуктивного газового пласта. Зафіксовано підвищення газовіддачи свердловини.

12. В ході виконання дисертаційних досліджень розроблено та апробовано комплекс вимірювальних діагностичних елементів, методик та пристроїв, які дозволили підвищити точність високовольтних імпульсних вимірювань, параметрів пучка, що одержувався, та стабільність роботи сильнострумових імпульсних схем, 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 енергією, що накопичувалась, до 100кДж.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Ковпик О.Ф., Корнилов Е.А., Коляда Ю.Е., Шапиро В.Д., Шевченко В.И. Возбуждение низкочастотных колебаний электронным пучком в горячей плазме, удерживаемой в пробкотроне // ЖТФ. 1972. Т.42. С. 2056-2061.

2. Ковпик О.Ф., Коляда Ю.Е., Корнилов Е.А., Лифшиц Е.В. Некрашевич С.А. Влияние внешней высокочастотной модуляции электронного пучка на нагрев ионов при взаимодействии его с плазмой // Физика плазмы и проблемы управляемого термоядерного синтеза. Киев: Наукова думка. 1972. Вып. 3. С. 15-23.

3. Коляда Ю.Е., Корнилов Е.А., Файнберг Я.Б., Кияшко В.А. Формирование и ускорение сильноточных высокоэнергетичных ионных пучков в плазме индукционными электрическими полями // Письма в ЖТФ. 1976. Т.2. С. 916 -918.

4. Кияшко В.А., Коляда Ю.Е., Корнилов Е.А., Файнберг Я.Б. Линейный плазменный индукционный ускоритель - источник мощных сильноточных ионных пучков // Письма в ЖТФ. 1977. Т.3. С. 1257-1259.

5. Кияшко В.А., Корнилов Е.А., Коляда Ю.Е. О коэффициенте полезного действия линейных индукционных ускорителей // ЖТФ. 1979. Т. 49. С. 2426-2428.

6. Кяшко В.А., Корнилов Е.А, Коляда Ю.Е., Файнберг Я.Б. Коллективное взаимодействие сильноточного ионного пучка с плазмой // Письма в ЖТФ. 1979. Т.5. Вып. 17. С. 1073 - 1077.

7. Кияшко В.А., Корнилов Е.А., Коляда Ю.Е. Моделирование на ЭВМ ускоряющей системы линейных индукционных ускорителей // ВАНТ. Сер.: Техника физического эксперимента. 1980. Вып. 2(5). С. 86-89.

8. Коляда Ю.Е., Ткач Ю.В., Подосинкин Ю.П., Тучин В.И., Скубко В.А., Пекарь И.Р., Ермоленко Б.Ф., Пухкал В.А., Белянчев Ю.В. Генератор импульсных напряжений с энергией 0.32 МДж и напряжением 4 МВ // ПТЭ. 1986. №3. С. 235.

9. Коляда Ю.Е., Ермоленко Б.Ф., Скубко В.А., Фиолетов С.Б., Подосинкин Ю.П., МанькоЕ.Т., Шевченко С.Б. Высоковольтный импульсный ускоритель наружного исполнения // ПТЭ. 1988. №1. С. 226.

10. Коляда Ю.Е., Фиолетов С.Б., Ермоленко Б.Ф., Сендерович Г.А. Влияние материала и геометрии взрывоэмиссионных катодов на параметры мощного РЭП // Письма в ЖТФ. 1990. Т. 16. Вып. 11. С. 26-29.

11. Коляда Ю.Е., Скубко В.А., Ермоленко Б.Ф., Сендерович Г.А., Фиолетов С.Б., Филькин А.В., Гаряжа А.В. Измерение энергосодержания импульсных сильноточных электронных пучков // ПТЭ. 1992. № 1. С. 139 - 141.

12. Коляда Ю.Е. Влияние материала холодного катода на режим работы импульсного сильноточного вакуумного диода в микросекундном диапазоне // ВАНТ. Сер.: Ядерно-физические исследования (34). 1999. №3. С. 74-76.

13. Коляда Ю.Е., Буланчук О.Н., Федун В.И. Влияние микроскопических аэрозольных частиц на эмиссионные характеристики холодных катодов // ВАНТ. Сер: Ядерно-физические исследования (35). 1999. №4. С. 54-56.

14. Коляда Ю.Е. Генерация акустических полей при инжекции плотных плазменных сгустков в жидкость // Доповіді Національної академії наук України. 1999. № 6. С. 91 - 95.

15. Коляда Ю.Е., Кияшко В.А., Онищенко И.Н., Корнилов Е.А., Федун В.И. Индуктивный генератор мощных микросекундных импульсов // Радиотехника: Сборник научных трудов Харьковского государственного технического университета радиоэлектроники. 2000. Вып. 115. С. 104 - 105.

16. Коляда Ю.Е. Формирование импульсных сильноточных электронных пучков вне вакуумных условий // Письма в ЖТФ. 2000. Т.26. Вып. 16. С. 52 - 56.

17. Коляда Ю.Е., Егоров А.М., Иванов Б.И., Онищенко И.Н., Федун В.И. Генерация ультразвуковых колебаний в акустическом волноводе протонным пучком // Доповіді Національної академії наук України. 2000. №4.С. 83-88.

18. Федун В.И., Коляда Ю.Е., Буланчук О.Н., Гаркуша В.В. Электрические характеристики импульсного плазменного гидроакустического излучателя // Вісник Донецького університету. Серія А: Природничі науки. 2000. Вип.1. С. 89-92.

19. Коляда Ю.Е., Буланчук О.Н., Федун В.И. Моделирование работы генератора импульсных напряжений на нелинейную нагрузку - сильноточный вакуумный диод // ВАНТ. Сер.: Ядерно- физические исследования (39). 2001. №5. С. 27-29.

20. Коляда Ю.Е., Федун В.И., Онищенко И.Н., Корнилов Е.А. Использование магнитного ключа для коммутации сильноточных импульсных схем // ПТЭ. 2001. №2. С. 89-91.

21. Коляда Ю.Е. Образование слоистой структуры упрочнённой зоны металла при облучении импульсным сильноточным электронным пучком // ВАНТ. Сер.: Ядерно-физические исследования (38). 2001. № 3. С. 184 - 186.

22. Джерело пружних хвиль в рідині: Патент на винахід № 24496А. Україна. МКИ G01V1/02 / Ю.Є. Коляда, В.І. Федун.- № 97052251; Завл.16.05.97; Опубл.21.07.98; Офіційний бюлетень. Т.5. Ч.2. 4.с.іл..

23. Кияшко В.А., Корнилов Е.А., Коляда Ю.Е. Формирование импульса тока и напряжения в линейных индукционных ускорителях // ВАНТ. Сер.: Техника физического эксперимента. 1980. Вып. 2(5). С. 90-93.

24. Коляда Ю.Е., Подосинкин Ю.П., Тучин В.И., Манько Е.Т., Скубко В.А., Ермоленко Б.Ф., Фиолетов С.Б. Генератор импульсных напряжений, предназначенный для работы на нелинейную нагрузку // Вестник Харьковского политехнического института “Электроэнергетика и автоматизация энергоустановок”. 1988. Вып. 15. №251. С. 16-18.

25. Ермоленко Б.Ф., Коляда Ю.Е., Сендерович Г.А., Фиолетов С.Б. Омический делитель для импульсных сверхвысоких напряжений // Вестник Харьковского политехнического института “Автоматика и приборостроение”. 1988. №256. Вып. 14. С. 69-70.

26. Keyashko V.A., Kornilov E.A, Kolyada Yu.E., Fainberg Ya.B. Acceleration of intense ion beams by the induction electrical field and the ion beam-plasma interaction // Proceedings of the 3-th International Topical Conference on High Power Electron and Ion Beam Reseach and Technology. V.1. Novosibirsk. July 3-6. 1979. P. 97-102.

27. Kolyada Yu.E. High-current diode is intended for work in open air // Proceedings of the 18^th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum.- Eindhoven, the Netherlands. August 17-21. 1998. V. 2. P. 696-699.

28. Kolyada Yu.E., Bulaunchuk O.N., Fedun V.I., Onishchenko I.N. Aerosol microparticles and emission characteristics of the pulsed high - current vacuum diode in a microsecond range // Proceedings of the 19-th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Xi'an, China. September 18 - 22. 2000. V.1. P. 68-71.

29. Onishchenko I.N., Kolyada Yu.E., Fedun V.I. Commutation of high current pulse electric schemes using the inductance with rectangular hysteresis loop // 12-th IEEE International Pulsed Power Conference, Abstracts. California USA.- June 27-30. 1999. P. W-64.

30. Кияшко В.А., Корнилов Е.А., Коляда Ю.Е. О формировании сильноточных пучков заряженных частиц в линейном плазменном индукционном ускорителе // Тезисы докладов 3-го Всесоюзного симпозиума по сильноточной импульсной электронике. Томск. 1978. С. 33-34.

31. Коляда Ю.Е., Ткач Ю.В., Тучин В.И., Подосинкин Ю.П., Скубко В.А., Ермоленко Б.Ф., Пухкал В.А., Калиниченко И.И. Стенд для создания мощных электронных пучков с микросекундной длительностью импульса // Тезисы докладов 5-го Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск. 1984. Ч. 2. С. 40-42.

32. Кияшко В.А., Корнилов Е.А., Файнберг Я.Б., Коляда Ю.Е. Формирование ионных пучков в плазме в остроугольной магнитной ловушке // Тезисы докладов 6-го Всесоюзного семинара по линейным ускорителям. Харьков. 1979. ВАНТ. Сер.: Техника физического эксперимента. 1979.-Вып. 1(3). С. 33.

33. Кияшко В.А., Корнилов Е.А., Файнберг Я.Б., Коляда Ю.Е. Транспортировка ионных пучков через газ // Тезисы докладов 6-го Всесоюзного семинара по линейным ускорителям.- Харьков.- 1979.- ВАНТ. Сер.: Техника физического эксперимента. 1979. Вып.1(3). С. 34.

34. Kolyada Yu.E. Influence of the cold cathode material on a mode work the pulse high-current vacuum diode in a microsecond range // Тезисы докладов 16-го Международного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц. Алушта, Крым.6-12 сентября. 1999. С. 111.

35. Kolyada Yu. Formation pulse high - current electron beams outside of vacuum conditions // Тезисы докладов 16-го международного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц. Алушта, Крым. 6-2 сентября. 1999. С. 112.

36. Kolyada Yu.E., Fedun V.I, Onishchenko I.N. Application of nonlinear inductive elements for switching high currents // Тезисы докладов 16-го международного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц. Алушта, Крым. 6-2 сентября. 1999. C. 103-104.

37. Belan V., Butenko V., Kolyada Yu., Onishchenko I., Prishchepov V., Fainberg Ya., Fedun V. The excitation elastic garmonic oscillation in solid by a proton beam // Тезисы докладов 16-го Международного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц. Алушта, Крым. 6 - 12 сентября. 1999. С. 109.

38. Kolyada Yu.E., Bulanchuk O.N., Fedun V.I. Numerical simulation of the Marx-generator behavior on nonlinear load-high-current vacuum diode // Тезисы докладов 17-го Международного семинара по ускорителям заряженных частиц. Алушта, Крым. 17-23 сентября.-2001. С. 49.

39. Kolyada Yu.E. Formation of a layered of a metal strengthening zone at irradiation by the pulse high - current electron beam // Тезисы докладов 17-го Международного семинара по ускорителям заряженных частиц. Алушта, Крым. 17 - 23 сентября. 2001. С. 223 - 224.

40. Коляда Ю.Е., Сендерович Г.А., Ермоленко Б.Ф., Тучин В.И. Применение графитовых взрывоэмиссионных катодов для формирования микросекундных сильноточных электронных пучков // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции “Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной, преобразовательной, сильноточной и полупроводниковой техники”. Москва. 1989.Ч. 1. С. 130.

41. Коляда Ю.Е., Бондаренко В.Е., Ермоленко Б.Ф., Фиолетов.С.Б. Оптимизация режимов поверхностного упрочнения сталей мощными импульсными электронными потоками // Тезисы докладов к зональной конференции “Обработка материалов высококонцентрированными источниками энергии”. Пенза. 1988. С. 62-63.

42. Коляда Ю.Е., Каплан С.П. Баланс энергии при взаимодействии сильноточных электронных пучков с металлами // Тезисы докладов 2-ой региональный научно - технической конференции. Мариуполь, 1993. Т.2. С. 67 - 68.

43. Коляда Ю.Е., Федун В.И. Плазменный источник упругих колебаний // Тезисы докладов 4-ой региональной научно - технической конференции. Мариуполь. 1997. Т. 2. С. 24.

Анотація

Коляда Ю.Є. Потужні мікросекундні пучки заряджених частинок і їх взаємодія з плазмою і конденсованими середовищами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук за фахом 01.04.20.-фізика пучків заряджених частинок. - Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”, Харків, 2003.

Дисертація присвячена проблемі підвищення параметрів потужних мікросекундних електронних і іонних пучків: тривалості імпульсу, струму і енергії. Експериментально показано, що збільшення параметрів іонних пучків можливе при формуванні і прискоренні їх у плазмі індукційними електричними полями з використанням магнітного поля гострокутної геометрії - магнітного “каспу”. В електронних прискорювачах прямої дії важливим є питання узгодження розряду генератора імпульсних напруг на нелінійне навантаження - вакуумний діод з холодним вибуховоемісійним катодом. Показано, що існує вузький діапазон параметрів джерела живлення і вакуумного діода, при яких можлива ефективна передача енергії від джерела в енергію пучка.

Крім того, встановлено ряд нових ефектів і закономірностей при взаємодії вказаних пучків з плазмою, твердим тілом і рідиною. Зокрема показано, що позитивно заряджені краплі можуть сприяти збудженню нових ектонів у сильнострумовому вакуумному розряді. Зареєстровано формування сильнострумового електронного мікросекундного пучка в каналі потужного дугового розряду атмосферного тиску в результаті впливу додаткового імпульсу високої напруги. Експериментально підтверджені основні положення теорії тривимірної релаксації електронних і іонних пучків у плазмі. Ідентифіковані типи коливань, які приводять до тривимірної релаксації - косі плазмові коливання. Здійснено збудження акустичних структур - резонаторів і хвилеводів пучками заряджених частинок, встановлені механізми їх збудження. Запропоновано новий спосіб генерування інтенсивних низькочастотних гідроакустичних імпульсів, які ґрунтуються на інжекції потужних потоків заряджених частинок у рідину.

Ключові слова: електронні та іонні пучки, індукційні електричні поля, генератор імпульсних напруг, вакуумний діод, мікросекундна тривалість імпульсу, плазма, тверде тіло, рідина, акустичні імпульси.

Abstract

Kolyada Yu.E. The power microsecond charged particles beams and its interaction with plasma and condensed matter.- Manuscript.

Thesis for the scientific degree of doctor of science in physics and mathematics by specialty 01.04.20. - the physics of charged beams particles. - National Science Center the Kharkov Institute of Physics and Technology, Kharkov, 2003.

The dissertation is devoted to the improvement problem of the power microsecond electron and ion beams parameters: impulse width, current and energy. It is experimentally shown that ion beams parameters increase is possible under its formation and acceleration in plasma by induced electrical fields by means of the using acute-angle geometry magnetic field - magnetic “cusp”. In the electron direct action accelerators it is important the matching of impulse voltage generator discharge on the nonlinear load-vacuum diode with cold explosive emission cathode. It is shown that there are narrow matching range parameters of power source and vacuum diode under which it is possible the effective energy transfer from power source to beam energy.

Besides of that it is revealed the series of new phenomenon and consistent patterns during the beams interaction with plasma, solid and liquid. In particular it is shown that positive charged droplets can facilitate the new ectons excitation in the high - current vacuum discharge. It is registered the high - current microsecond electron beam formation in the power arc discharge channel under atmospheric pressure in the result of the additional high voltage impulse. The main principles of three-dimensional ion and electron beams relaxation theory are experimentally confirmed. The sidelong plasma waves which lead to the three dimensional relaxation are identified - skew plasma oscillations. The acoustic structures excitations are realized - resonators and waveguides by means of charged particles beams and excitation mechanisms are determined. The new intensive low frequency hydroacoustic impulses generation method is developed that are based on the charged particles power stream injection.

Key words: electron and ion beams, induced electrical fields, impulse voltage generator, vacuum diode, microsecond impulse width, plasma, solid, liquid, acoustic impulses.

Аннотация

Коляда Ю.Е. Мощные микросекундные пучки заряженных частиц и их взаимодействие с плазмой и конденсированными средами.- Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.20.-физика пучков заряженных частиц.-Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт”, Харьков, 2003.

Диссертация посвящена проблеме повышения параметров мощных микросекундных электронных и ионных пучков: длительности импульса, тока и энергии. Экспериментально показано, что увеличение параметров ионных пучков возможно при формировании и ускорении их в плазме индукционными электрическими полями с использованием магнитного поля остроугольной геометрии - магнитного “каспа”. В результате получен пучок ионов с током до 4 кА, энергией 100 кэВ, длительностью импульса 1мкс. Разработана математическая модель ускоряющей секции линейного индукционного ускорителя, в которой учтены все основные характеристики ферромагнетика индуктора и влияние тока пучка на процесс формирования импульса ускоряющего напряжения. Предложенная модель позволяет рассчитывать форму импульса тока и напряжения с учётом конкретных параметров ускорителя.

В электронных ускорителях прямого действия важным является вопрос согласования разряда генератора импульсных напряжений на нелинейную нагрузку - вакуумный диод с холодным взрывоэмиссионным катодом. Показано, что существует узкий диапазон параметров источника питания и вакуумного диода, при которых возможна эффективная передача энергии, запасённой в ёмкостном накопителе, в энергию пучка. Установление этого диапазона позволило получить сильноточный электронный пучок с током до 12 кА, энергией 1,2 МэВ, длительностью импульса до 15 мкс. Проведено численное моделирование работы мощного высоковольтного генератора импульсов на сильноточный вакуумный диод, обладающий нелинейной характеристикой. Результаты численных расчётов достаточно хорошо совпадают с экспериментальными.

Кроме того, установлен ряд новых эффектов и закономерностей, возникающих при взаимодействии указанных пучков с плазмой, твёрдым телом и жидкостью. В частности, показано, что капельная фракция играет активную роль в поддержании мощного вакуумного разряда в микросекундном диапазоне импульсов. Измерена функция распределения частиц от их диаметра. Установлено, что характерный размер микрочастиц порядка длины свободного пробега электронов - ферми в металлах. Разлетающиеся капли могут приобретать положительный заряд и способствовать возбуждению новых эктонов.

Зарегистрировано формирование сильноточного электронного микросекундного пучка в канале мощного дугового разряда в результате воздействия дополнительного импульса высокого напряжения. Сильноточный разряд инициирован при атмосферном давлении в пространстве, ограниченном узким диэлектрическим каналом. Ускорение происходит за счёт явления убегания электронов, когда электрическая сила, ускоряющая электроны, превышает силу трения, обусловленную ионизационными потерями в веществе.

Экспериментально подтверждены основные положения теории трёхмерной релаксации электронных и ионных пучков в плазме. Идентифицированы типы колебаний, приводящие к трёхмерной релаксации - косые плазменные колебания. В опытах с электронным пучком для идентификации колебаний были созданы условия, при которых возбуждалась лишь одна ветвь - косой ионный звук. Это удалось осуществить при инжекции электронного пучка в горячую плазму, в случае . Отмечено размытие функции распределения электронов пучка, как по продольным, так и поперечным скоростям. При взаимодействии сильноточного ионного пучка с плазмой также зарегистрировано возбуждение косого ионного звука и отмечена его трёхмерная релаксация. Полученные результаты согласуются с теорией трёхмерной релаксации пучков заряженных частиц при их взаимодействии с плазмой.

Экспериментально осуществлено возбуждение акустических структур. Протонным пучком с энергией 5МэВ, током до 20мА, длительностью импульса 5-20мкс, возбуждены гармонические волны в акустическом волноводе за счёт термоупругого механизма. Характер и частота возбуждаемых колебаний определяются колебательными свойствами самой системы - геометрическими размерами волновода. Установлен механизм образования слоистой структуры упрочнённой зоны металлов и сплавов при облучении их сильноточными импульсными электронными пучками. Это явление обусловлено совместным воздействием интенсивных упругих стоячих волн в образце и температурного поля.

Предложен новый способ генерирования интенсивных низкочастотных гидроакустических импульсов, основанных на инжекции мощных потоков заряженных частиц в жидкость. В отличие от известных генераторов, использующих взрыв твёрдых взрывчатых веществ и электрогидравлический разряд, применение мощных потоков заряженных частиц для этих целей позволяет управлять амплитудно-временными характеристиками ввода энергии в жидкость и избежать возникновения ударной волны. Это даёт возможность наиболее эффективно преобразовывать накопленную электрическую энергию в энергию гидроакустических импульсов. Генерация колебаний происходит за счёт пульсации парогазовой полости, возникающей при выделении энергии в жидкости. Процесс движения полости описывается уравнением Рэлея.

Ключевые слова: электронные и ионные пучки, индукционные электрические поля, генератор импульсных напряжений, вакуумный диод, микросекундная длительность импульса, плазма, твёрдое тело, жидкость, акустические импульсы.

Размещено на Allbest.ru