Введение к работе
Актуальность работы. Применение сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП) с энергией частий масштаба мегаэлектронвольта охватывает широкие области научных исследований и технических применений. В частности, такие пучки используются в ИЯФ СО РАН для нагрева плазмы в соленоидальных ловушках применительно к решению проблем управляемого термоядерного синтеза. Переход в середине 80-х годов от пучков длительностью 100 не к микросе-кунднык РЭП обеспечил существенное продвижение в этом направлении термоядерных исследований. Так в настоящее время на первой очереди установки ГОЛ-3 полное энергосодержание микросекундного пучка, инжектируемого в плазменный столб, достигает величины 100 кЛж. Однако еде ранее стало ясно, что положенная в основу генерации микросекундных РЭП концепция плоского диода с большим (6*10 см) зазором (ускорители У-1 и У-3 в ИЯФ СО РАН) исчерпывает себя и не позволит перейти в область энергозапаса в пучке масштаба 1 МЯж из-за перемыкания плазмой катод-анодного промежутка. С другой стороны, как показал анализ экспериментов, проведенных в ИАЭ г. Москва, ИСЭ г. Токск, ХФТИ г. Харьков с коаксиальными магнитно-изолированными диодами, перемыкание катод-анодного зазора плотной плазмой ограничивает энергозапас пучка в таком диоде приблизительно на том же уровне 100 кЛж. По этой причине Л.Д. Рютов с соавторами в 1984 году выдвинули концепцию последовательной во времени игокенции через один и тот же конец соленоида нескольких сильноточных РЭП, генерируемых в отдельных диодах с соответствующим сдвигом по времени. Для осуществления такого процесса наиболее 'премлекыми пучками представлялись такие РЭП, которые генерировались бы в ленточных магнитно-изолированных диодах. Получаемые в таких диодах пучки должны иметь один из
поперечных размеров их сечения на порядок величины меньше другого. Эта особенность позволила бы направлять трубку силовых линий ведушего магнитного поля из соленоида с плазмой поочередно то в один генератор пучка, то в другой путем наложения дополнительного, малого по величине магнит! ого поля, направленного по малому поперечному размеру. Не менее важным обстоятельствам явилось и то, что при 'генерации пучка в ленточном магнитно-изолированном диоде можно было ожидать увеличения длительности генерации пучка до 10 и Более микросекунд- при сохранении плотности тока и углового разброса электронов. Поскольку в середине 80-х годов практически не существовало результатов по физике сильноточных ленточных РЭП, то для реализации указанного предложения представлялось необходимым прежде всего провести экспериментальные исследования по генерации, транспортировке и преобразованию сечения таких пучков для последующей инжекции в плазму. Естественно, эти исследования следовало начинать при относительно невысоком значении энергозапаса в пучке. С другой стороны полученные результаты должны были позволить экстраполяцию в область параметров, необходимых для проведения экспериментов на установке гол-з.
Цель работы. Целью диссертационной работы явились исследования возможности получения и транспортировки ленточного РЭП с погонным током 1 кА/см и длительностью 10 мкс. Для этого необходимо было создать установку, которая включала бы в себя генератор мегаволътного напряжения, магнитно-изолированный ленточный диод, транспортный вакуумный канал и систему, позволяющую осуществить преобразование ленточного пучка в круглый. Б ходе экспериментального изучения требовалось установить основные закономерности генерации и транспортировки пучков и определить оптимальные условия для этих процессов (погонный ток и степень заполнения пучком сечения канала, величину ведущего магнитного поля и остаточное давление в вакуумном канале).
Научная новизна. Впервые проведены исследования по генерации и транспортировке сильноточных РЭП с ленточной формой поперечного сечения на специально созданной установке -2 - ТЭЛ-10. При этом в ленточном магнкгно-изолгфованном диоде получен пучок со следующими параметрами: энергия электронов Є s 1 КэВ, ток
пучка I 20 кА, длительность т < В мкс и энергосодержание Q -
50 кДж. Этот .ленточный пучок имеет погонный ТОК I' =* 1 КА/СМ и характеризуется параметром 1'т = 4 кА-ккс/ск, что вчетверо превышает его значение в случае с коаксиальными МИД. Экспериментально установлено, что при его транспортировке для сохранения формы сечения пучка с погонным током близким к вакуумному пределу необходимо выполнить следующие условия: отношение толщины пучка к зазору между стенками щелевого канапа должно быть по крайней мере более 0.5; ведущее магнитное поле должно превышать некоторую критическую величину, которая определяется плотностью тока' пучка; в канале не должно быть плотной плазмы, приводящей к неоднородной по сечению зарядовой нейтрализации пучка. Измерена зависимость предельного погонного тока пучка в канале от величины ведущего магнитного поля, которая объяснена с помощью модели, описывающей его равновесие и устойчивость к коротковолновым возмущениям. Впервые проведены эксперименты по преобразованию формы сечения сильноточных РЭП. В ходе этих экспериментов найдены условия, при которых процесс преобразования ленточного сечения пучка в круглое осуществляется без потерь тока на стенках. Разработан комплекс 'вычислительных программ, позволяющий рассчитывать с помощью ЭВМ конфигурации магнитных полей в трехмерном стационарном и двумерном (осесимметричный и плоский) нестационарном случаях.
Практическая ценность. Результаты исследований по физике сильноточных ленточных РЭП, составляющих данную диссертационную работу, уже использованы в ИЯФ СО РАН при разработке полномасштабного инжекционного комплекса У-2 ТЭЛ-100, предназначенного для нагрева плазмы в установке ГОЛ-3. Эти результаты позволяют планировать получение в единичном ленточном диоде пучка с энергосодержанием 0.3+0.5 МДж. Кроме того, результаты этих исследований позволяют рассматривать проекты генераторов СВЧ-излучения миллиметрового диапазона с релятивистским электронным пучком, имеющим энергозапас на урояне нескольких сотен килоджоулей. Разработанные программы для расчетов., стационарных и нестационарных магнитных полей в трехмерной геометрии могут использоваться при создании различных физических установок. Спаренные многозазорные разрядники могут найти применение при создании высоковольтных импульсных устпновок.
Аппробацкя работы и публикации. Результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях по физике плазмы, Звенигород, 1986-1992, 4 Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, Ленинград, 1988, Всесоюзном семинаре "Плазменная электроника", Харьков, 1988, 7 и 8 Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике, Томск, 1988 и Свердловск, 1990, 11 Международной конференции по физике плазмы и УТС, Токио, 1986, 18 Международной конференции по явлениям в ионизованных газах, Суанси, Англия, 1987, 13 к 14 Международных симпозиумах по разрядам и электроизоляции в вакууме, Париж, Франция, 1988 и Санга-Фе, США, 1990, Международной конференции по физике плазмы, Ньи-Дели, Индия, 1989, Международной конференции по мощным пучкам, Новосибирск, 1990, Вашингтон, 1992.
По теме диссертации опубликовано Э статей и 3 препринта.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений и содержит 189 страниц машинописного текста, включая 62 рисунка и список литературы.
