Физические закономерности взаимодействия сильноточного электронного пучка с веществом Вальчук, Виктор Васильевич

Введение к работе

Актуальность проблемы.

Работы по взаимодействию сильноточных электронных
пучков (СЭП) с веществом начались в связи с появлением и
интенсивным развитием ускорителей электронов, обеспе
чивающих в импульсном режиме мощности до 10* Вт при
амплитуде тока до единиц мегаампер и напряжении до десятка
мегавольт. В настоящее время СЭП применяются для
генерации СВЧ колебаний, накачки мощных

злектроионизационных лазеров, генерации импульсов тормозного излучения, создания высокоплотных возбуждений в твердом теле. На основе применения электронных потоков стали возможными новые технологические процессы, связанные с изменением физико - химических свойств материалов.

Воздействие СЭП на вещество сопровождается сложными физическими процессами образования плазменного факела, генерации волн напряжений в объеме мишени, изменения пространственного распределения функции энерговыделения вследствие воздействия на перенос электронов пучка макроскопических электромагнитных полей и изменения тормозной способности вещества.

Вследствие сложности процесса взаимодействия электронного пучка с веществом, в настоящее время еще не все экспериментально наблюдаемые факты имеют удовлетворительное объяснение. К ним относятся, например, аномальное торможение электронов пучка в тонких фольгах и генерация тока во внешней цепи при замыкании разлетающейся плазмой промежутка мишень - коллектор.

При моделировании процесса взаимодействия СЭП с веществом не до конца выяснена роль таких факторов, как воздействие магнитного поля на перенос, увеличение тормозной способности вещества при высоких температурах, роль градиентов термодинамических величин в образующейся неидеальной пучковой плазме. В настоящее время отсутствуют также расчеты по формированию волн напряжений для пучков с потоком мощности 10 - 10*" Вт/см^ , хотя ведутся интенсивные работы по их использованию для технологических

термодинамического состояния среды.

1. Пакет программ TREL1 (Transport of Electrons), позволяющий рассчитывать функционалы потока электронов для источника с произвольным энергетическим и угловым спектром в многослойных мишенях с произвольным химическим составом.

2. Пакеты программ, позволяющие моделировать воздействие электронных пучков на многослойные металлические мишени с учетом гидродинамического разлета плазмы, генерации упругопластических волн в плоской (BETAIN1 (Beam-Target Interaction)), а также с учетом формирования магнитного поля и его воздействия на перенос частиц в двумерной (BETAIN2) геометрии.

4. Расчеты параметров генерируемых волн напряжения в зависимости от характеристик пучка в области потока мощности 10^s - 10*0 Вт/см² .

5. Результаты исследования роли различных механизмов в формировании магнитного поля в мишени в зависимости от' параметров мишени и пучка.

6. Исследование эффекта увеличения энерговклада в тонкую мишень на основе численного моделирования, учитывающего формирование магнитного поля, гидродинамический разлет мишени и воздействие магнитного поля на перенос электронов пучка.

7. Объяснение механизма генерации тока во внешней цепи при замыкании пучковой плазмой промежутка мишень - коллектор.

Научная новизна. Разработан метод интегрирования уравнения движения частиц в неоднородных нестационарных электромагнитных полях при наличии неупругих потерь и рассеяния на основе метода разделения по физическим процессам и аналитического решения полученных уравнений на шаге интегрирования, позволяющий использовать больший временной шаг по сравнению с традиционно используемыми схемами интегрирования уравнений движения.

Выполнены систематические исследования генерации упругопластических волн в мишени в зависимости от характеристик импульсного электронного пучка в области

могут быть использованы для интерпретации и планирования
экспериментов. Полученные результаты по формированию волн
напряжения в двуслойных мишенях дают возможность
варьировать амплитуду и ширину импульса напряжения в
необлучаемой части мишени при неизменном источнике пучка
электронов. ,

Апробация.

Основные результаты работы докладывались, на 1— и 2— Всесоюзных конференциях "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск 1988, Свердловск 1991); на Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике'(Томск 1984, 1988; Свердловск 1990); на Всесоюзных конференциях по физике плазмы (Звенигород 1988,1990) ; на 8 международной конференции BEAM's-90 (Новосибирск, 1990), на 3 международной конференции по физике высоких плотностей энергии (г.Кыштым, 1992).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь печатных работ.

Структура и объем работы.