Генерація акустичних коливань сильнострумовими релятивістськими електронними пучками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний науковий центр

Харківський фізико-технічний інститут

Спеціалізована вчена рада д64.845.01

УДК 537.5

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Генерація акустичних коливань сильнострумовими релятивістськими електронними пучками

01.04.20 - Фізика пучків заряджених частинок

Пономарьов Анатолій Григорович

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис генерація акустичний електрон

Робота виконана в Інституті плазмової електроніки та нових методів прискорення Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” (ІПЕНМП ННЦ ХФТІ ) Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук Єгоров Олексій Михайлович, ННЦ ХФТІ, заступник Генерального директора з наукової роботи

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Карась Вячеслав Ігнатович, ІПЕНМП ННЦ ХФТІ, начальник лабораторії;

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Лазурик Валентин Тимофійович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, завідуючий кафедрою.

Провідна установа Науковий фізико-технологічний центр Міністерства освіти і науки та НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 16 ” травня 2006 р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.845.01 у Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут” за адресою: 61108, м. Харків, вул. Академічна, 1.

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

Автореферат розісланий “ 29 ” березня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Айзацький М.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Процес взаємодії іонізуючого випромінювання з конденсованими середовищами супроводжується акустичною емісією. Це явище спостерігається у всіх матеріалах і для будь-якого типу випромінювання (заряджені та нейтральні частинки, г-випромінювання і т.ін.). Але якщо для слабкострумового пучка та поодиноких частинок збуджувані коливання є пружними, то процес генерації акустичних коливань сильнострумовими релятивістськими електронними пучками (РЕП) носить здебільшого нелінійний характер. Внаслідок швидкого енерговиділення в зоні взаємодії, у матеріалі виникають ударні хвилі, на фронті яких розвиваються тиски мегабарного діапазону. Це приводить до крихкого руйнування, відколу, фазових та агрегатних змін в матеріалі, аж до утворення алмазоподібних структур та змінення геометричної форми мішені. Спостерігається інтенсивна акустична емісія в опромінюваному матеріалі. При цьому цілеспрямованих досліджень для з'ясування можливості використання сильнострумового РЕП в звукових випромінювачах не проводилось.

Однак, потреба в таких випромінювачах неперервно зростає. Вони широко використовуються в медицині, біології, геології, сейсмології, металургії, космічних дослідженнях. В народному господарстві України акустичні випромінювачі застосовуються для розвідки рибних запасів в Чорному і Азовському морях, пошуку корисних копалень, в дефектоскопії, для діагностики і лікування захворювань. Традиційні типи випромінювачів, що використовуються для цих цілей, такі як електромагнітні, електродинамічні, магнітострикційні, п'єзоелектричні, пневматичні, гідравлічні в багато-чому перестали задовольняти вимогам, що до них висуваються, або по потужності випромінювання, або по масо-габаритним чи енерговитратним характеристикам. Постійно існуюча тенденція збільшення далекості дії акустичного зондування потребує пошуку методів генерації звукових коливань на підставах нових фізичних принципів. Одним із таких методів є генерація звука при взаємодії сильнострумового РЕП із твердотільними мішенями. Розуміння процесів, що відбуваються під час такої взаємодії, дасть можливість виробити рекомендації по створенню генераторів потужного акустичного випромінювання, потреба в яких постійно зростає. Це і зумовлює актуальність та доцільність проведення роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові результати, які стали основою дисертаційної роботи, здобуті при виконанні планових бюджетних тем ННЦ ХФТІ: “Програма робіт з атомної науки і техніки ННЦ ХФТІ до 2000 року”, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 20.07.93 № 558; “Програма проведення фундаментальних досліджень з атомної науки і техніки ННЦ ХФТІ до 2005 року”, затвердженої розпорядженням Кабінету Міністрів України від 13.09.2001 № 421-р.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є отримання генерації акустичних коливань при взаємодії сильнострумового пучка релятивістських електронів із твердотільними мішенями та подальше підсилення цих коливань за рахунок параметричного ефекту в магнітній рідині.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно було вирішити такі задачі:

- розробити і створити сильнострумовий прискорювач електронів мікросекундної тривалості (фмін ?10 мкс), з енергією електронів (0.3...0.5) МеВ і струмом пучка (2...5) кА;

- оптимізувати умови роботи і параметри прискорювача для підвищення його коефіцієнту корисної дії (к.к.д.), досягнення високої густини струму пучка та його однорідності на поверхні опромінюваної мішені;

- експериментально вивчити умови збудження акустичних коливань в металевих мішенях в залежності від геометричної форми мішеней;

- визначити вплив геометричних та енергетичних параметрів пучка (розміри, форма, енергія електронів пучка та густина струму на мішені) на характеристики коливань, що генеруються;

- провести теоретичне обґрунтування і експериментальне вивчення підсилення акустичних НЧ-коливань за рахунок параметричного ефекту в магнітній рідині.

Об'єктом дослідження є процес взаємодії сильнострумових РЕП з конденсованими середовищами.

Предметом дослідження є генерація акустичних коливань при взаємодії сильнострумових РЕП з металевими мішенями.

Методи дослідження При виконанні дисертаційної роботи для визначення параметрів отриманих пучків застосовувались стандартні методи вимірювання високих напруг та великих струмів, а саме: вимірювання колекторного і повного току поясами Роговського; повної енергії пучка - графітовим калориметром; напруги на діоді - високовольтним безіндуктивним подільником напруги; імпульсних магнітних полів - індукційними датчиками. При вивченні генерації акустичних коливань, застосовувались п'єзоелектричні вимірювання імпульсного тиску, що включали до себе використання різноманітних акустичних датчиків (напівхвильових, гідрофонів і т.ін.) на основі п'єзокераміки ЦТС-19.

Наукова новизна одержаних результатів. При виконанні цієї дисертаційної роботи:

- уперше отримано трубчастий пучок релятивістських електронів з енергією ~ 0.6 МеВ, струмом ~ 5 кА, густиною струму на мішені до 4 кА/см2, товщиною стінки ~ 1 мм і з коефіцієнтом корисної дії понад 80%;

- уперше експериментально показано, що сильнострумовий РЕП мікросекундної тривалості при опромінюванні пласких металевих мішеней діє як потужний динамічний ударник, що викликає коливання мішеней на власних частотах;

- уперше експериментально отримана генерація звукових коливань у низькочастотному діапазоні (300…500) Гц без ультразвукового наповнення;

- уперше експериментально показано більш високу ефективність в збудженні ультразвукових акустичних коливань трубчастих пучків порівняно зі суцільними циліндричними з однаковою повною енергією в імпульсі;

- уперше виміряна повздовжня та поперечна швидкість фрагментів газоплазмового факелу, який виникає на поверхні металевої мішені під дією трубчастого сильнострумового РЕП і показано, що за механізмом абляції в енергію коливань мішені переходить до 2 % енергії пучка;

- уперше запропонована нова концептуальна схема акустичного випромінювача, робота основних елементів якого заснована на нових фізичних принципах, а саме: збуджувачем коливань є сильнострумовий РЕП, випромінювачем - комбіновані металеві мішені, підсилення генерованих коливань здійснюється за рахунок параметричного ефекту в магнітній рідині;

- уперше отримано експериментальні результати по параметричному підсиленню низькочастотних звукових коливань за допомогою магнітної рідини. Величина підсилення на частоті 50 Гц склала від 3 до12 разів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Проведені експериментальні дослідження дозволили запропонувати схему ефективного збудження акустичних НЧ-коливань сильнострумовими РЕП. Визначені оптимальні параметри основних елементів цієї схеми - суцільних РЕП і металевих мішеней, що опромінюються. Це може мати практичне значення для отримання акустичних сигналів певного типу.

2. Запропонована і експериментально підтверджена можливість параметричного підсилення акустичних НЧ-коливань за допомогою магнітної рідини, що має практичне значення при розробці акустичних генераторів і підсилювачів.

3. В роботі проведено комплекс фізичних заходів по оптимізації параметрів прискорювача, в результаті яких одержано мікросекундні пучки високої якості, з к.к.д. понад 80%. Такі пучки використовуються в різних сферах наукових і технологічних досліджень.

4. У ході виконання роботи розроблений і оформлений як винахід новий пристрій для визначення геометричних параметрів пучків іонізуючого випромінювання, що заснований на радіаційно-акустичних методиках.

Достовірність і обгрунтованність отриманих результатів забезпечується тим, що вони перевірялись кількома методами:

1. Енергія електронів у пучку визначалась по величині імпульсної напруги на катоді прискорювача, що вимірялась безіндуктивним омічним подільником і контролювалась по спектру гальмового рентгенівського випромінювання з мішені. Повна енергія пучка визначалась одночасним вимірюванням величини та тривалості імпульсів струму і напруги та порівнювалась із результатом прямого вимірювання енергії графітовим калориметром. Отримані значення добре збігаються між собою.

2. Результати розрахунку напруженості магнітного поля у камері транспортування і в області формування пучка перевірялась прямими вимірами за допомогою індукційного датчика. Результати вимірів підтвердили правильність розрахунків.

3. Виміряне значення струму трубчастого пучка в (1.5…2) рази перевищувало значення струму для суцільного пучка, котрий можна провести через камеру транспортування. Обґрунтованість цього результату забезпечується застосуванням пучків високої якості з тонкою стінкою та заземлених анодних уставок в камері транспортування. Проведений розрахунок величини граничного струму для цього випадку доводить достовірність отриманих результатів.

4. При проведенні радіаційно-акустичних досліджень вимірювання амплітуди акустичних коливань здійснювалось п'єзодатчиком, сигнал до якого підводився по звукопровіду, що мав акустичний контакт з поверхнею опромінюваної мішені. В умовах сильної деформації мішені, для виключення впливу непостійності акустичного контакту на результат вимірів, додатково застосовувалась наступна методика. Опромінювана мішень була проміжним перетворювачем, що випромінював у воду, а генеровані коливання реєструвались гідрофоном. Це підвищило надійність вимірів в умовах застосування пучків з високими енергетичними параметрами.

Особистий внесок здобувача. В основу поданої дисертаційної роботи покладені результати експериментальних досліджень по генерації акустичних коливань у твердотільних мішенях сильнострумовими релятивістськими електронними пучками. На всіх етапах цих досліджень дисертант приймав безпосередню участь.

В роботі [1] автором була запропонована і реалізована схема опромінювання стержневих мішеней з можливістю їх переміщення без розвакуумування прискорювача. При опромінюванні пласких мішеней трубчастим пучком здобувачем був виявлений ефект фокусування пружних хвиль у напрямку вісі пучка. При цьому була застосована розроблена автором методика виміру амплітуди збуджуваних коливань по діаметру мішені. У випадку використовування суцільного сильнострумового РЕП здобувачем було виявлено, що амплітуда акустичного сигналу пропорційна густині струму пучка на мішені. В роботі [5] цей результат був використаний автором для цілей діагностики трубчастих пучків.

Дисертант сформулював і поставив питання про роль газоплазмового факелу (ГПФ), що створюється, в передаванні енергії від пучка до опромінюваної мішені за рахунок реактивного імпульсу віддачі. В роботах [2, 3] при проведенні оптичних досліджень процесу взаємодії сильнострумових РЕП з твердим тілом здобувачем були виміряні швидкості повздовжнього і поперечного розльоту фрагментів ГПФ і визначена маса речовині, що виноситься, для різних матеріалів. На основі цих результатів автором зроблено висновок про надання переваги використовуванню матеріалів з великим атомним номером для утворення максимального імпульсу віддачі та було вирахувано, що в енергію механічних коливань за механізмом абляції переходить ~ 2 % енергії пучка. Автором було розроблено конструкцію пристрою для захисту оптичних вікон від продуктів розльоту газоплазмового факелу, яка використовувалась при проведенні оптичних досліджень.

Автор брав участь в проведенні експериментальних досліджень трьох типів мікросекундних магнітоізольованих діодів, на основі яких була вибрана схема діода “зверненого” типу, що дозволила отримати сильнострумові РЕП високої якості. Ним було зроблено розрахунок магнітної системи для утворення оптимальної конфігурації поля в області формування, прискорення і транспортування сильнострумового РЕП і здійснені вимірювання напруженості магнітного поля вздовж камери транспортування [6]. Здобувачем запропонована і реалізована схема з використанням заземлених анодних уставок в області транспортування, що дозволило збільшити проходження сильнострумового РЕП до мішені. Розрахунки і виміри проведені автором показали, що в цьому випадку величина струму трубчастого пучка, що транспортується до мішені, збільшується в (1.5…2) рази. При цьому вперше в практиці отримання сильнострумових РЕП коефіцієнт корисної дії прискорювача перевищив 80 % [9]. Автор приймав безпосередню участь у вимірюванні параметрів сильнострумових пучків. Він розрахував, сконструював і откалібрував пояси Роговського для виміру струму пучка і загального струму, безіндуктивний подільник напруги, графітовий калориметр для вимірювання повної енергії пучка [6].

В роботі [7] дисертантом була експериментально доведена більш висока ефективність формування електронного пучка в неоднорідному наростаючому полі порівняно з однорідним і продемонстровано негативний вплив катодної плазми на тривалість імпульсу. Подальшим розвитком цих досліджень є експерименти проведені автором в наростаючому полі з пробковим співвідношенням Hк/H0 = 0.75 [8] і Hк/H0 = 0.25 [9].

В роботі [10] здобувачем була запропонована і експериментально реалізована схема збудження гідроакустичних коливань з використанням проміжного твердотільного перетворювача. Автор запропонував використання принципу акустичної затримки в конструкції мішеней, що дозволило генерувати поодинокі імпульси = (5…200) мкс, коливання в ультразвуковому f = (60…80) кГц і низькочастотному f = (300…1250) Гц діапазонах.

Автором було запропоновано використання магнітної рідини для створення умов параметричного резонансу і проведено експериментальну перевірку можливості підсилення низькочастотних звукових коливань за рахунок параметричного ефекту в магнітній рідині [4]. Ним була виміряна величина підсилення, визначений час наростання сигналу і побудовані амплітудно-частотні криві, які підтвердили параметричний характер підсилення. На основі проведених досліджень здобувачем була запропонована концепція отримання акустичного випромінювання, що заснована на нових фізичних принципах. Згідно розробленій концепції збуджувачем акустичних коливань є сильнострумовий РЕП мікросекундної тривалості, що діє як потужний динамічний ударник. Збудження і розповсюдження коливань відбувається в складній стержневій структурі, що жорстко закріплена на пласкій металевій поверхні, яка випромінює коливання в магнітну рідину. При виконанні умов параметричного резонансу відбувається підсилення коливань, що проходять в магнітній рідині. В поданій дисертаційній роботі автором була здійснена експериментальна перевірка основних елементів, що забезпечують реалізацію запропонованої концепції.

Апробація роботи. Результати, покладені в основу дисертації, докладались на Всесоюзному семінарі по лінійним прискорювачам (Харків, 1983), Всесоюзному симпозіумі по сильнострумовій електроніці ( Томськ, 1984), на Всесоюзному семінарі по плазмовій електроніці (Харків, 1988), на V Міжнародній науковій школі-семінарі “Імпульсні процеси в механіці суцільних середовищ” (Миколаїв, 2003).

Публікації. Основні матеріали дисертації опубліковані у фахових виданнях - [1-4], в описі авторського свідоцтва [5], в препринті [6], у матеріалах конференцій [8-10].

З них 5 задовольняють вимогам ВАК до публікацій на яких ґрунтується дисертація [1-5]. Список опублікованих робіт наведено нижче.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних літературних джерел. В дисертації пронумеровано 119 сторінок, з них основний текст становить 111 сторінок. Дисертація містить 39 малюнків. Бібліографія включає 70 найменувань.

Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації і необхідність проведення досліджень, визначені мета і задачі роботи. На основі аналізу і узагальнення експериментальних даних сформульовані основні наукові результати і положення винесені на захист, показана їх наукова новизна й практичне значення. На всіх етапах виконання дисертаційної роботи вказано особистий внесок автора, висвітлені апробація роботи, її зміст і структура.

Перший розділ дисертації є оглядовим і має 5 підрозділів. Зроблено огляд літературних даних по збудженню звука пучками заряджених частинок при їх взаємодії з конденсованими середовищами. Показано, що основними механізмами збудження пружних коливань в твердих тілах є термоакустичний механізм, механізм динамічного навантаження і черенковський механізм. Приведені розрахунки енергетичних втрат для кожного механізму, з котрих виходить, що провідним є термоакустичний механізм, в якому основний внесок в енергію звукових коливань складають іонізаційні втрати. При взаємодії сильнострумових пучків з конденсованими середовищами виникають нові канали передачі енергії, що супроводжуються генерацією акустичних хвиль. Як наслідок швидкого енерговиділення, в матеріалі виникають ударні хвилі, спостерігаються різні фазові і агрегатні зміни становища речовини (плавлення, випарювання, сублімація і т.ін.). В зоні взаємодії виникає потужний газоплазмовий факел (ГПФ), що має значний реактивний імпульс, який передається мішені. Ці нелінійні процеси призводять до збудження низькочастотних коливань мішені. Також проаналізовано деякі експериментальні данні по збудженню акустичних коливань при взаємодії з речовиною швидких частинок (від поодиноких частинок до сильнострумових РЕП). Зроблено висновок, що використання сильнострумових мікросекундних РЕП для генерації низькочастотних коливань є перспективним і потребує більш систематичного вивчення.

У другому розділі описано апаратуру та методики, що розроблені для досягнення встановленої мети. Для формування пучків мікросекундної тривалості різної структури був розроблений сильнострумовий мікросекундний прискорювач МІГ-1, що являє собою магнітоізольований діод із так званим “зверненим” магнітним полем і взривоемісійним крайковим катодом. Негативний імпульс високої напруги, що подається на катод, формувався генератором імпульсної напруги (ГІНом), зібраним за схемою Аркад'єва-Маркса. Провідне магнітне поле створювалося при розряді конденсаторної батареї на котушку соленоїда. Максимальна індукція поля складала 8 кГс, тривалість першої напівхвилі ~ 5 мс. Схема затримки забезпечувала спрацьовування ГІНа та подачу імпульсу високої напруги на катод в момент максимуму магнітного поля. Схема магнітоізольованого діода.

Для формування трубчастого пучка використовувались крайкові катоди з нержавіючої сталі діаметром від 20 до 80 мм. При цьому густина струму на мішені досягала значення Ј?4 кА/см2. Суцільний пучок формувався при встановленні графітових катодів спеціальної форми і мав густину струму Ј ~ (100...200) А/см2. Значення повного струму були рівні для пучків однакового діаметра. Типові відбитки трубчастого і суцільного електронних пучків.

Ці результати були отримані при експериментальному дослідженні трьох варіантів магнітоізольованих діодів, яке визначило шляхи підвищення густини струму і яскравості сильнострумового РЕП. Зокрема, збільшення струму пучка в магнітоізольованому діоді із “зверненим” полем було досягнуто зменшенням довжини катодної ніжки і використанням заземлених анодних уставок в камері транспортування. Це дозволило зменшити збіг електронів і підвищити проходження струму трубчастого пучка, що транспортується до мішені. Застосуванням магнітної компресії в області формування пучка була підвищена густина струму, при цьому закорочування прискорювального проміжку в діоді не спостерігалось, тобто тривалість імпульсу струму в даному випадку визначається лише часом розряду ємності ГІНу на навантаження (діод) і може бути збільшена підвищенням ємності ГІНу. В пучках з наведеними вище параметрами тривалість струму дорівнювала 10 мкс (по основі), а коефіцієнт корисної дії прискорювача досягнув 80 %.

Вимірювання повної енергії пучка провадилося графітовим калориметром. Загальний струм діода та струм пучка на колекторі вимірювались поясами Роговського. До заходів діагностики пучка відносились, також, безіндукційний подільник напруги та рентгенівські датчики.

Для реєстрації пружних напружень був розроблений блок акустичної реєстрації, до складу якого входили: напівхвильовий датчик тиску, система калібрування, система переміщення акустичного детектора по мішені, що дозволяла знімати просторовий та часовий розподіл поля акустичних напружень.

Сигнали з напівхвильового датчика подавалися на високоомний вхід запам'ятовуючого осцилографа С8-17 з чутливістю по напрузі 100 мкВ/под., що дозволяло здійснювати вимірювання без використання підсилювача.

Таким чином, створений експериментальний стенд з повною енергією в електронному пучку до 10 кДж дозволяв досліджувати збудження акустичних коливань у різних твердотільних мішенях при їх опромінюванні сильнострумовими РЕП мікросекундної тривалості трубчастої або суцільної циліндричної конфігурації.

У третьому розділі детально розглянуті експериментальні результати по дослідженню генерації звукових коливань сильнострумовими РЕП при їх взаємодії з твердотільними мішенями різної конфігурації.

В підрозділі 3.1 наведено результати по генерації акустичних коливань, що відбувається при опроміненні пласких дискових металевих мішеней трубчастими і суцільними сильнострумовими РЕП. Показано, що такі пучки за термоакустичним механізмом генерують ультразвукові коливання, частоти яких для мішеней, що використовувались, знаходяться в діапазоні (60…70) кГц (див. рис. 3 а)). Ефективність збудження коливань трубчастими пучками в кілька разів більша ніж суцільними. Наведено розподіл амплітуди збуджуваних ультразвукових коливань по діаметру зони опромінювання, з якого випливає, що у разі використання трубчастого РЕП відбувається фокусування коливань на вісі пучка, а в разі використання суцільного РЕП розподіл амплітуди збуджуваних коливань збігається з розподілом густини струму на мішені.

Одночасно з ультразвуковими коливаннями в дискових мішенях генеруються низькочастотні. Відповідальними за їх збудження є нелінійні процеси, в результаті яких мішень зазнає сильну термічну деформацію і починає коливатись на власних частотах, які з точністю ~ 30% збігаються з вирахуваними по формулам теорії пружності.

В цьому ж підрозділі, на основі даних по вимірюванню швидкості розльоту фрагментів газоплазмового факелу і маси речовини, яка виноситься за один імпульс, зроблено висновок, що за механізмом абляції в енергію механічних коливань перетворюється до 2 % енергії сильнострумового РЕП. Також показано, що для утворення максимального імпульсу віддачі на поверхні мішені більш прийнятне використовування матеріалів з великою атомною вагою, бо в цьому випадку глибина проникнення РЕП в мішень невелика і в процесі приймає участь менша кількість речовини, що в основному випаровується, в той час як для легких матеріалів спостерігається переважно викид розплаву.

В підрозділі 3.2 наведені результати генерації звуку в стержневих мішенях. При опромінюванні стержня генерується акустичний імпульс, тривалість якого визначається тривалістю імпульсу струму і довжиною зони, що опромінюється. На рис.4 показано схеми опромінювання та осцилограми акустичних імпульсів, що генеруються при частковому введенні мішені в трубчастий і суцільний сильнострумовий РЕП.

При повному введенні стержня в трубчастий пучок генеруються два поодинокі акустичні імпульси, рознесені між собою на час проходження сигналу відстані, що дорівнює діаметру пучка. Тривалість кожного піку залежить від товщини стінки пучка і тривалості імпульсу струму і дорівнює (5…10) мкс. При використанні суцільного пучка в такій геометрії експерименту тривалість імпульсу, що генерується максимальна і дорівнює , де - тривалість імпульсу струму, - час проходження акустичного сигналу по зоні опромінювання. Для використовуваних суцільних пучків з діаметром від 20 мм до 80 мм = (5…20) мкс.

Дослідження генерації звуку в стержневих мішенях підтвердило, що як і в дискових мішенях амплітуда генерованого акустичного імпульсу пропорційна густині струму на мішені. Таким чином, форма імпульсу, що приходить на п'єзодатчик повторює профіль густини пучка, що проектується на опромінюваний стержень. Цей факт був використаний в розробленій методиці визначення форми і координат трубчастих пучків. Для цього в камері взаємодії в одній площині розміщувались три тонкі стержневі мішені під кутом 120є, що мали акустичний контакт в одній точці на вісі пучка. Генеровані акустичні імпульси послідовно реєструються, причому один із сигналів має протилежну від інших полярність, оскільки одна з мішеней виготовлена з речовини, що має негативний параметр Грюнайзена. Це дозволяє по виміряним акустичним затримкам однозначно визначити координати кільцевого пучка. При розміщенні кількох мішеней вздовж камери транспортування можна реєструвати розходження пучка.

В підрозділі 3.3 подано результати по генерації акустичних коливань у комбінованих мішенях “стержні-пластина”. В комбінованій мішені звукові імпульси генеруються в стержневій структурі, що жорстко закріплена на пласкій поверхні. За рахунок того, що стержні мають різну довжину, акустичні сигнали виходять на випромінюючу поверхню з часовою затримкою, чим досягається подовження імпульсів. Поодинокі акустичні імпульси, що генеруються трубчастим сильнострумовим РЕП в комбінованій мішені з П-образно розташованими стержнями, причому найдовший імпульс генерується при розміщенні стержнів у двох рівнях. В цьому випадку тривалість імпульсу доходила до 200 мкс при тривалості імпульсу струму до 10 мкс. При опромінюванні такої мішені суцільним сильнострумовим РЕП генеруються низькочастотні коливання без ультразвукового заповнення як, на відміну від дискової мішені, в якій одночасно спостерігаються два типи коливань. Це відбувається тому, що випромінююча пласка поверхня зазнає сильного зміщення завдяки послідовному виходу на неї імпульсів пружного напруження по кожному стержню, причому в стержнях не генеруються ультразвукові коливання. Після закінчення імпульсу струму мішень розвантажується і починає коливатися на власних частотах, які для мішеней, що використовувались дорівнювали (300…1200) Гц.

В четвертому розділі викладені результати досліджень фізичних ефектів, що призводять до підсилення акустичних коливань. Розглянута можливість параметричного підсилення звукових коливань, що є одним з не багатьох способів прямого підсилення. Таке підсилення здійснюється при існуванні хвилі накачки з частотою, що кратна частоті хвилі, яка підсилюється. В цьому випадку хвиля з частотою щ0 і хвиля накачки з частотою щH розповсюджуються в одному напрямі під малим кутом одна до одної. При дотриманні умов параметричного резонансу щH=kщ0 відбувається підсилення падаючої хвилі. Показано, що у випадку розповсюдження звукової хвилі у магнітній рідині, при дотриманні умов параметричного резонансу, також можливе підсилення падаючої хвилі.

В цьому ж підрозділі на створеній експериментальній установці, схема, була проведена експериментальна перевірка параметричного підсилення звукових коливань в магнітній рідині. Установка являє собою звуковий підсилювач, на вхід якого подається досліджувана хвиля від вбудованого п'єзокерамічного випромінювача, або від видаленого зовнішнього джерела. Хвиля накачки збуджується при коливанні магнітної рідини всередині соленоїду при подаванні на його робочу обкладинку перемінної напруги. При проходженні струму по обкладинці соленоїду магнітна рідина переміщується вздовж силових ліній в область максимального градієнту магнітного поля, здійснюючи, таким чином, коливання на частоті в два рази вищій за частоту струму в котушці.

В експериментах на робочу обкладинку соленоїда подавалась перемінна напруга частотою f = 50 Гц. При цьому магнітна рідина, і разом з нею мембрана, здійснювали коливання на частоті f = 100 Гц. Осцилограма коливань мембрани за відсутністю хвилі, що досліджується. Осцилограма коливань мембрани при поданні на вхід установки сигналу з п'єзокерамічного випромінювача частотою 60 Гц за відсутність коливань магнітної рідини. Осцилограма цього ж сигналу, але підсиленого за рахунок параметричного ефекту. Видно, що в даному випадку відбулось підсилення амплітуди сигналу в 3.5 рази. Параметричне підсилення було досліджено для різних типів немагнітних мембран (лавсанова плівка, Cu, Al), завтовшки від 20 мкм до 200 мкм., що мали різну вагу. В залежності від резонансних властивостей мембран, величина підсилення на частоті ~ 50 Гц складала від 3 до 12 разів.

На підставі отриманих результатів була запропонована схема ефективного збудження низькочастотних звукових коливань. Згідно цій схемі генерація акустичних коливань здійснюється сильнострумовим релятивістським електронним пучком при опромінюванні металевої мішені, що має складну стержневу структуру. Збуджені коливання випромінюються в магнітну рідину, в якій за допомогою зовнішнього магнітного поля створюються умови параметричного резонансу. Підсилені за рахунок параметричного ефекту коливання випромінюються пружною мембраною.

Висновки

У дисертації викладено результати досліджень процесу взаємодії сильнострумових релятивістських електронних пучків з конденсованими середовищами, що мають місце в порівняно новому її напрямі. Орієнтовані на задачі отримання акустичного випромінювання проведені дослідження були присвячені генерації акустичних коливань при опромінюванні металевих мішеней сильнострумовими РЕП мікросекундної тривалості. Велике значення було приділене з'ясовуванню фізичних закономірностей формування, прискорення і транспортування пучків, які використовуються для здійснення акустичної генерації. Особливе значення має отримане в роботі експериментальне підтвердження можливості параметричного підсилення низькочастотних звукових коливань за допомогою магнітної рідини. На основі проведених досліджень згідно розробленій концепції, що заснована на нових фізичних принципах, була вирішена задача отримання акустичного випромінювання. Одержані в роботі наукові і практичні результати дозволяють зробити наступні висновки:

1. Сильнострумовий РЕП мікросекундної тривалості є потужним динамічним ударником, що викликає генерацію акустичного випромінювання в металевих мішенях. В залежності від параметрів пучка і мішеней збудження звуку відбувається за різними механізмами, що приводить до випромінювання акустичних сигналів в широкому частотному діапазоні. Це дозволяє використовувати такий пучок для ефективного збудження металевих випромінюючих мембран в звукових генераторах. В роботі були отримані ультразвукові f = (60…70) кГц і звукові низькочастотні f = (300…1250) Гц коливання та поодинокі акустичні імпульси тривалістю t = (5…200) мкс.

2. Генерація сильнострумових РЕП високої якості ефективно здійснюється в магнітоізольованому діоді із “зверненим” магнітним полем, в якому за рахунок зменшення збігу електронів і формуванню трубчастого пучка з тонкою стінкою в умовах сильної магнітної компресії в кілька разів підвищуються густина струму і струм пучка, що транспортується до мішені. Формування такого пучка є необхідною умовою для отримання акустичних коливань з потрібними характеристиками. В роботі був отриманий трубчастий РЕП з такими параметрами: енергія до 0.6 МеВ, струм до 5 кА, тривалість імпульсу струму по основі ~ 10 мкс, густина струму на мішені до 4 кА/см2, товщина стінки ~ 1 мм і коефіцієнт корисної дії понад 80%.

3. Генерація ультразвукових коливань найбільш ефективно здійснюється при опромінюванні пласких дискових металевих мішеней трубчастим сильнострумовим РЕП. Порівняно з суцільним пучком з такою ж запасеною енергією, амплітуда збуджуваних коливань в кілька разів більша, за рахунок більш високої густини струму на поверхні мішені і фокусуванню коливань на вісі пучка. Для суцільних пучків розподіл по поверхні мішені амплітуди збуджених ультразвукових коливань повторює розподіл густини струму в пучку.

4. Опромінення стержневих мішеней призводить до генерації поодиноких звукових імпульсів, тривалість яких визначається тривалістю імпульсу струму і довжиною зони опромінювання, і в роботі складала від 5 мкс для трубчастих пучків до 20 мкс для суцільних. Застосування акустичної затримки є ефективний спосіб подовження імпульсів. Це дозволяє отримувати поодинокі акустичні імпульси в широкому інтервалі тривалості t = (5…200) мкс.

5. Опромінення пласких мішеней суцільними сильнострумовими РЕП мікросекундної тривалості з густиною струму пучка до 200 А/см2 викликає сильну термічну деформацію поверхні, яка посилюється дією імпульсу віддачі газоплазмового факелу. Після припинення імпульсу струму мішень розвантажується і починає коливатися на власних частотах. В цьому випадку відбувається одночасне випромінювання низькочастотних і ультразвукових коливань. Показано, що застосуванням комбінованих мішеней “стержні-пластина”, можна повністю пригнітити генерацію ультразвукових коливань і отримати низькочастотні коливання без ультразвукового наповнення.

6. Експериментально підтверджені проведені розрахунки щодо можливості підсилення акустичних коливань за рахунок параметричного ефекту в магнітній рідині. При створенні за допомогою зовнішнього магнітного поля в магнітній рідині умов параметричного резонансу, підсилення амплітуди коливань на частоті ~ 50 Гц склало від 3 до 12 разів. Цей результат може бути використаний при створенні звукових генераторів і підсилювачів, в яких на відміну від існуючих здійснюється пряме підсилення низькочастотних звукових коливань.

7. В результаті проведених досліджень запропоновано концепцію отримання акустичного випромінювання, що заснована на нових фізичних принципах. Згідно цієї концепції генерація акустичних коливань здійснюється при опроміненні сильнострумовими РЕП мікросекундної тривалості металевих мішеней, що мають складну стержневу структуру. При виконанні умов параметричного резонансу здійснюється підсилення коливань, що проходять в магнітній рідині. Для реалізації даної концепції необхідними складовими є формування сильнострумового РЕП з потрібними параметрами, створення мішеней спеціальної форми для генерації звукових сигналів визначеного типу, забезпечення здійснення умов параметричного резонансу в магнітній рідині. В дисертаційній роботі проведено розгляд і експериментальне дослідження умов, що забезпечують успішну реалізацію запропонованої концепції.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Deryuga V.A., Kalinichenko A.I., Popov G.F., Ponomarev A.G., Uvarov V.V. Excitation of Acoustic Oscillation by Destructive Electron Impact on Polycrystalline Metal Targets // Вісник Харківського університету. Серія фізична “Ядра, частинки, поля”. - 1999. - № 453. - В. 3. - C. 28-32.

2. Клепиков В.Ф., Пономарев А.Г. Скачек Г.В., Толстолуцкий А.Г., Уваров В.В. Особенности воздействия сильноточных трубчатых релятивистских пучков на твердое тело // Вісник Харківського університету. Серія фізична “Ядра, частинки, поля”. - 2000. - № 469. - В 1, С. 56-60.

3. Егоров А.М., Клепиков В.Ф., Пономарев А.Г., Толстолуцкий А.Г., Уваров В.В., Уваров В.Т. Оптическая диагностика коллекторной плазмы. // Вісник Харківського університету. Серія фізична “Ядра, частинки, поля”. - № 510. - В.1(13). - 2001. - С. 62-66.

4. Балакирев В.А., Егоров А.М., Пономарев А.Г., Рак О.Л., Уваров В.Т. Параметрическое усиление акустических колебаний в магнитной жидкости // Доповіді НАН України, сер. “Математика, природознавство, технічні науки”. - 2003. - № 2. - С. 78-84.

5. А.с. 1538715 СССР МКИ G 01 T 1/29. Измеритель параметров пучков заряженных частиц / Калиниченко А.И., Пономарев А.Г., Попов Г.Ф., Шкилев А.Л. (СССР). - № 4401524/40-25; Заявлено 04.04.88; Опубликовано 30.04.91, БИ № 16. - 5 с.

6. Уваров В.Т., Ткач Ю.В., Гадецкий Н.П., Скачек Г.В., Пономарев А.Г., Кившик В.Ф., Гапоненко Н.И., Козачек А.С., Прасол Е.А. Получение сильноточных пучков микросекундной длительности с высоким К.П.Д. - М.: ЦНИИатоминформ. - 1984. - 13 с. (Препр. / ХФТИ; 84-30).

7. Ткач Ю.В., Уваров В.Т., Гадецкий Н.П., Пономарев А.Г., Гапоненко Н.И., Скачек Г.В., Лемберг Е.А. Исследование сильноточного диода с магнитной изоляцией микросекундной длительности // Тезисы доклада на VIII Всесоюзном семинаре по линейным ускорителям (июнь 1983, Харьков). - ВАНТ. - 1983. - С. 107.

8. Уваров В.Т., Ткач Ю.В., Гадецкий Н.П., Скачек Г.В., Пономарев А.Г. Гапоненко Н.И., Кившик В.Ф., Козачек А.С. Высокоэффективный сильноточный диод микросекундной длительности // В кн.: Тезисы докладов на V Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике. Ч.1. - Томск. - 1984. - С. 106-108.

9. Уваров В.Т., Ткач Ю.В., Толстолуцкий А.Г., Скачек Г.В., Пономарев А.Г., Поддубко Н.С. Увеличение плотности тока и яркости сильноточного трубчатого РЭП магнитной компрессией // Тезисы доклада на Всесоюзном семинаре “Плазменная электроника”. - Харьков. - 1988. - С. 106-107.

10. Егоров А.М., Пономарев А.Г., Рак О.Л., Уваров В.Т. Возбуждение гидроакустических колебаний импульсными сильноточными релятивистскими электронными пучками. // Тезисы доклада на V Международной научной школе-семинаре “Импульсные процессы в механике сплошных сред”. - Николаев. - 2003. - С. 106-107.

Анотація

Пономарьов А.Г. “Генерація акустичних коливань сильнострумовими релятивістськими електронними пучками”. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.20 - фізика пучків заряджених частинок. - Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”, Харків, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню процесу генерації акустичного випромінювання при взаємодії сильнострумових релятивістських електронних пучків (РЕП) мікросекундної тривалості з твердотільними мішенями.

Розглянуто шляхи підвищення параметрів сильнострумових РЕП, які використовуються для генерації. Запропоновано новий радіаційно-акустичний спосіб визначення геометричних параметрів пучків іонізуючих частинок. Розроблені конструкції металевих мішеней, що оптимальні для генерації певного типу коливань. Отримано акустичні коливання в широкому частотному діапазоні.

Проведено теоретичний аналіз та експериментальне дослідження параметричного підсилення звукових коливань. Наведено результати по підсиленню низькочастотних коливань при створенні умов параметричного резонансу в магнітній рідині. Представлено концепцію отримання акустичного випромінювання і проведено експериментальну перевірку її складових елементів.

Ключові слова: мікросекундний прискорювач, сильнострумовий релятивістський електронний пучок, твердо тільна мішень, генерація акустичних коливань, параметричне підсилення звука, магнітна рідина.

Abstract

Ponomarev A.G. ”Generation of Acoustic Oscillations by High-Current Relativistic Electron Beams”. - Manuscript. Thesis for a Candidate's degree in Physics and Mathematics by specialty 01.04.20 - Physics of charged particle beams. - National Science Center “Kharkov Institute of Physics & Technology”, Kharkov, 2006.

The dissertation is devoted to the generation of acoustic radiation by high-current microsecond relativistic electron beams in solid targets.

The possibilities to improve the parameters of power microsecond electron beams under consideration. A new radiation-acoustic method for determining the geometric parameters of penetrating particle beams is proposed. There are realized constructions of metallic targets that are optimal for generation of oscillations certain types. Acoustic oscillations of a wide frequency range are obtained.

Theoretical analysis and experiments realized to investigate the parametric amplification of acoustic oscillations have been carried out. The results of experiments on amplification of low-frequency acoustic oscillations under conditions of the parametric resonance in magnetic liquid are presented. A conception of obtaining the acoustic radiation is developed and experimental proving of its components is made.

Key words: microsecond accelerator, high-current relativistic electron beam, hard-solid target, generation of acoustic oscillations, parametric amplification of sound, magnetic liquid.

Аннотация

Пономарев А.Г. “Генерация акустических колебаний сильноточными релятивистскими электронными пучками”. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.20 - физика пучков заряженных частиц. - Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт”, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена исследованию процесса генерации акустического излучения при взаимодействии сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП) микросекундной длительности с твердотельными мишенями. Представлена концепция получения акустических колебаний на основе новых физических принципов. Согласно предложенной концепции, возбудителем колебаний является сильноточный РЭП, возбуждение происходит в металлических мишенях сложной структуры, усиление колебаний осуществляется за счет параметрического эффекта в магнитной жидкости. Проведено экспериментальное исследование элементов данной схемы.

Экспериментально установлено, что сильноточный РЭП является мощным динамическим ударником, который вызывает генерацию акустического излучения в металлических мишенях. В зависимости от параметров пучка и мишени возбуждение звука происходит по различным механизмам. Это приводит к излучению акустических сигналов в широком частотном диапазоне. В работе были получены ультразвуковые f = (60…70) кГц, звуковые низкочастотные f = (300…1250) Гц колебания и одиночные акустические импульсы длительностью t = (5…200) мкс. Разработаны оптимальные конструкции мишеней для каждого диапазона.

В работе рассмотрены методы повышения параметров сильноточных РЭП, используемых для генерации звука. Показано, что наиболее эффективно использование магнитоизолированных диодов с “обращенным” магнитным полем, в котором существенно уменьшены токовые утечки. Увеличение плотности тока и яркости РЭП достигается магнитной компрессией в условиях формирования пучка в неоднородном магнитном поле. Применение заземленных анодных вставок в камере транспортировки увеличивает прохождение пучка к мишени. Получен трубчатый сильноточный РЭП с током до 5 кА, энергией до 0.6 МэВ, длительностью по основанию ~ 10 мкс, плотностью тока на мишени до 4 кА/см2. При этом коэффициент полезного действия ускорителя превысил 80 %.

Проведены теоретические расчеты и экспериментальное исследование параметрического усиления звуковых колебаний в магнитной жидкости. Описана экспериментальная установка, на которой осуществлено прямое усиление низкочастотных звуковых колебаний. При создании в магнитной жидкости с помощью внешнего магнитного поля условий параметрического резонанса, величина усиления амплитуды колебаний на частоте 50 Гц составила от 3 до 12 раз.

В работе установлена зависимость амплитуды возбуждаемых акустических сигналов от плотности частиц в пучке. Предложен новый способ определения геометрических параметров несплошных пучков ионизирующих частиц. Координаты пучка, его ширина и расходимость определяются по форме и задержкам генерируемых акустических импульсов.

Ключевые слова: микросекундный ускоритель, сильноточный релятивистский электронный пучок, твердотельная мишень, генерация акустических колебаний, параметрическое усиление звука, магнитная жидкость.

Размещено на Allbest.ru