Введение к работе
Электронные пучки высокой плотности (ЭПВП) используются для решения разнообразных задач электроники и энергетики, в технологии, в научном эксперименте. Однако, несмотря на такой широкий спектр возможных применений ЭПВП, их свойства до сих пор недостаточно изучены, что препятствует совершенствованию существующих, а также созданию новых электронно-пучковых приборов и устройств. Повышение требований к характеристикам таких систем, появление новых их типов и новых областей их применения приводит к ужесточению требований к самим электронным потокам (ЭП), к точности и достоверности информации о закономерностях их формирования и транспортировки, к необходимости детального выяснения механизма происходящих в них физических процессов. При уве-' личении плотности электронных потоков и длительности их существования происходит усложнение этих закономерностей. Это определяет актуальность данной работы, посвященной экспериментальному исследованию одного из наиболее привлекательных для использования в электронике и энергетике больших мощностей, но недостаточно пока изученных типов электронных потоков - длинноимпульсных ЭПВП с магнитным удержанием.
ЦЕЛИ РАБОТЫ состояли в экспериментальном определении степени, закономерностей и механизмов влияния вторичных частиц (ионов и электронов) и плазменных образований, а также коллективных колебательных процессов, на формирование и транспортировку длинноимпульсных ЭПВП с энергиями электронов до 50 кэВ.
Для выполнения запланированного исследования было необходимо создать длинноимпульсные электронные потоки с высокой компрессией и с высокими значениями переносимой удельной энергии, разработать --и реализовать комплекс методов диагностики, позволяющий измерять пространственно-временные и энергетические характеристики электронных потоков и воздействие на них указанных выше факторов.
В качестве объектов исследования были выбраны протяженные электронные пучки с наиболее употребимыми на практике системами магнитного удержания: соленоидальным магнитным полем с регулируемым продольным распределением и с помощью магнитно-периодических фокусирующих систем (МПФС). Разборные системы с соленоидальным
.магнитным полем и гладким каналом транспортировки пучка удобны для отработки способов создания пучков с высокой компрессией и для выяснения закономерностей процессов, развивающихся при их формировании и транспортировке. Такая же система была использована для изучения явлений, связанных с взаимодействием плотных электронных потоков с поверхностью твердого тела. Исследования с МПФС проведены в ЛБВ. Использование ЛБВ было целесообразным не только потому, что применение длинноимпульсных пучков высокой плотности именно в такого типа СВЧ устройствах - одно из наиболее привлекательных их приложений. Важно также и то, что исследования в ЛБВ открывают возможность изучить влияние внешних переменных полей на процессы в электронных потоках высокой плотности.
Исследования выполнены на специально созданных экспериментальных установках кафедры физической электроники Санкт-Петербургского государственного технического университета.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы состоит в следующем:
-
Получены неизвестные ранее данные о закономерностях временной эволюции характеристик электронного потока мощной ЛБВ в широком диапазоне режимов ее работы;
-
На основании экспериментальных данных предложены феноменологические модели развивающихся в ЛБВ процессов с участием вторичных частиц и паразитных колебании;
-
Предложена и создана оригинальная система формирования электронного потока, позволяющая обеспечить одновременно высокую степень компрессии электронного потока (порядка 1500 по площади), высокую плотность энергосодержания в пучке (до ~100 кДж/см2) и эффективную защиту электронной пушки от генерирующихся в приборе плотных вторичных и плазменных образований;
-
Получены новые экспериментальные данные о взаимодействии плотного длинноимпульсного нерелятивистского электронного потока с потоками вторичных частиц и плотной плазмы, генерирующихся при интенсивной электронной бомбардировке электродов;
5. Предложены основанные на экспериментальных данных модели
экранировки поверхности мишени при ее облучении плотным длинно-
импульсным электронным потоком, а также процессов взаимодействия
пучка со вторичными частицами, рождающимися на электродах электрон
но-оптической системы при транспортировке пучка.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы определяется тем, что:
-
Комплексная методика анализа характеристик электронного потока и сам анализатор могут быть применены для определения параметров электронных потоков мощных лучевых СВЧ-приборов О-типа в процессе их конструирования и доработки;
-
Экспериментально определенные характеристики электронного потока мощных широкополосных ЛБВ непрерывного режима могут быть использованы при совершенствовании систем рекуперации приборов данного типа;
-
Полученная информация о закономерностях явлений, определяющих характеристики электронного потока в мощной ЛБВ с МПФС как в процессе их формирования, так и в стационарном состоянии, может быть использована для совершенствования модели процессов в мощных приборах О-типа, необходимой при разработке новых моделей таких устройств с улучшенными характеристиками;
-
Созданная система формирования длинноимпульсного электронного потока высокой плотности, позволяющая формировать нерелятивистский пучок с высокими значениями степени компрессии ( ~1500) и плотности энергии (до -100 кДж/см2 за импульс), в комплексе с методиками определения параметров электронного потока и изучения процессов, протекающих при его взаимодействии со вторичными компонентами потока и плазменными образованиями, может быть использована в материаловедческих и технологических исследованиях, а также для изучения возможности создания системы электронного абляционного ускорения макрочастиц в рамках работ по решению инженерных проблем УТС с использованием магнитного удержания;
-
Полученная информация о закономерностях экранировки интенсивно бомбардируемой нерелятивистскими электронами поверхности твердотельной мишени продуктами ее разрушения может быть использована при разработке модели таких процессов, необходимой, в частности, при решении ряда инженерных проблем УТС;
-
Информация о закономерностях специфических вторичных процессов, развивающихся при формировании и транспортировке плотного электронного потока установки ЭПВП, может быть использована при создании систем формирования нерелятивистских мощных длинноимпульсных электронных потоков, в частности, систем формирования электронного потока мощных СВЧ-устройств.
-
Разработанная и реализованная система формирования и транспортировки электронных пучков позволяет создавать длинноимпульсные (приблизительно до 5 мс) ЭП с компрессией по площади свыше 1500, плотностью тока ~ 103 А/см2 и удельной переносимой энергией ~105 Дж/см2.
-
Физические явления с участием вторичных частиц и плазменных образований оказывают существенное влияние на формирование и транспортировку плотных длинноимпульсных нерелятивистских электронных потоков с высоким энергосодержанием (1-500 Дж за импульс при плотности мощности в потоке 0.01-20 МВт/см2 и плотности энергии 0.01-100 кДж/см2), вызывают временную эволюцию их параметров с характерным временным масштабом 10-1000 мкс. Стационарное или квазистационарное состояние электронного потока, достигаемое им в ходе такой эволюции, является результатом нелинейного взаимодействия процессов с участием вторичных частиц и (или) плазменных образований, а также колебательных явлений.
3. При транспортировке плотного ддинноимпульсного электронного
потока (с плотностью мощности в потоке 0.2-20 МВт/см2 и плотностью
энергии 1-100 кДж/см2) через диафрагмы или каналы с внутренним диа
метром, близким к поперечному размеру электронного потока, возможно
его эффективное взаимодействие с плотными вторичными и плазменными
образованиями, генерирующимися в результате электронной бомбарди
ровки электродов, приводящее к потери существенной части (10-90%)
энергии и тока электронного пучка. В случае развития положительной об
ратной связи между плотностью бомбардировки поверхности электродов
и количеством вторичных частиц в электронном потоке возможна генера
ция на электродах плотной плазмы даже в условиях, когда плотность
электронной бомбардировки электрода в отсутствие вторичных частиц
мала по сравнению с уровнем, требующимся для начала разрушения
бомбардируемой поверхности.
В подобных условиях возможно развитие и низкочастотных (10-1000 кГц) релаксационных процессов, связанных с воздействием вторичных и плазменных образований на структуру статических электрических и магнитных полей в области распространения потока.
4. При поперечном размере электронного потока порядка 1 мм, энергии
частиц 20-45 кэВ, плотности мощности энерговыделения до ~20 МВт/см2 и
плотности паров вблизи поверхности до ~1019 см3 не происходит сущест
венной экранировки мишени нейтральной компонентой факела продуктов
ее разрушения, однако, при развитии пучково-плазменного разряда в результате взаимодействия электронного потока с заряженными компонентами плазмы факела такая экранировка наблюдается, причем поток энергии на поверхность мишени в этом случае может снижаться па порядок и более.
5. Предложенная качественная модель, учитывающая накопление и уход ионов из ловушек, формирующихся в промодулированном пространственно-неоднородным магнитным полем электронном пучке, объясняет временную эволюцию характеристик плотных длинноимпульсных электронных потоков, удерживаемых с помощью МПФС, а также характер воздействия переменных полей на эти характеристики.
Результаты, изложенные в диссертационной работе, регулярно обсуждались на научных семинарах сектора сильноточной и СВЧ злектрошпаї кафедры физической электроники СПбГТУ, докладьшались на семинарах секции "Физическая электроника" при Санкт-Петербургском Доме ученых в 1990,1995 и 1997 годах, на Научно-техническом совете НПП "Исток-2" (г. Фрязино) в 1995 г., на VII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Новосибирск, 1988 г.), на V Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград, 1990 г.), на Международной конференции "Физика и техника плазмы" (Минск, 1994 г.), на IV Международной школе "Стохастические колебания в радиофизике и электронике" ХАОС'94 (Саратов, 1994 г.), на Российской научно-технической конференции "Инновациоїщьіе наукоемкие технологии для России" (Санкт-Петербург, 1995 г.), на 10-й зимней школе-семинаре по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1996 г.), на Международной конференции по пучкам частиц высокой мощности BEAMS'96 (Прага, 1996 г.) и на Всероссийской межвузовской конференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ" (Саратов, 1997 г.).
ПУБЛИКАЦИИ: По материалам диссертации опубликовано 19 работ, список которых приведен в конце автореферата.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из Введения, двух глав, Заключения и Приложения. Общий объём диссертации составляет 196 страниц, в ней имеется 73 рисунка, 1 таблица, список литературы включает 215 наименований.
