Введение к работе
История вопроса и актуальность темы. На рубеже 60-х и 70-х годов были созданы новые электрофизические устройства—генераторы сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП). Получаемые в в этих ускорителях пучки с энергией электронов Е ~ 1 МэВ, током масштаба десятка килоампер и длительностью около 100 не нашли широкое применение в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу (УТС), генерации электромагнитного излучения в диапазоне частот от жестких 7_квантов до волн радиодиапаоона, коллективному ускорению ионов, а также радиационной модификации свойств материалов.
В Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера исследования по управляемому термоядерному синтезу с использованием сильноточных РЭП были ориентированы на нагрев плазмы в длинной соленоидальной ловушке за счет возбуждения в ней мелкомасштабной ленгмюровской турбулентности. Первый эксперимент по отой тематике был поставлен в ИЯФ в 1971 году, а затем эти исследования получили развитие на установках ИНАР и ГОЛ-1. При указанных выше параметрах пучков их энер-гоэапас при инжекции в плазменный столб оказался ограниченным на уровне нескольких килоджоулей, что определило относительно невысокое (|пТ ~ 1017 оВ см- ) удельное энергосодержание нагретой плазмы. Выдвинутая в ИЯФ в конце 70-х годов концепция установки ГОЛ-3, которая должна была явиться следующим поколением длинных соленоидальных ловушек, предполагала получение в ней плазмы с |лТ ~ 1020 эВ см-3. В связи с этим энергозапас в инжектируемом пучке следовало поднять до уровня ~ 1 МДж при плотности тока j > 1 кА см-2 и угловом разбросе электронов Д0 ~ 0.1. Решение этой задачи представлялось возможным
только путем увеличения длительности пучка, и по этой причине в ИЯФ были развернуты работы по созданию генераторов сильноточных РЭП с микросекундной длительностью импульса. В ходе отих работ на ускорителе У-1 был получен пучок с параметрами, приемлемыми для инжекции в плазму, при энергозапасе в нем около 100 кДж. Дальнейший подъем энергозапаса в пучке за счет увеличения зазора в плоском ускорительном диоде, как это было сделано на указанной установке, оказалось невозможным. В свою очередь, и в коаксиальных диодах с магнитной изоляцией (КДМИ), исследования работы которых проводились в ряде институтов (ИАЭ г.Москва, ИСЭ г.Томск, НИЭФА г.Ленинград, ХФТИ г.Харьков) в связи с использованием пучков для генерации СВЧ-излучения, энергозапас микросекундных РЭП оказался ограниченным на уровне немногим более 100 кДж.
В этих условиях в середине 80-х годов в ИЯФ было выдвинуто предложение о наращивании энергии, вводимой в плазму, путем инжекции в нее серии пучков, генерируемых со сдвигом по времени в нескольких диодах. Анализ возможности реализации такой поочередной инжекции привел к выводу о том, что только электронные пучки с ленточной формой сечения могут быть реально использованы для такого процесса. При этом, по аналогии с кольцевыми пучками ожидалось, что ленточные пучки можно будет также получать в диодах с магнитной изоляцией. Такие диоды, в отличие от плоских, не требуют анодной фольги, что должно было дать дополнительные преимущества: отпадала необходимость замены этой фольги после каждого импульса, могла возрасти длительность генерации пучка, появлялась возможность существенного снижения углового разброса электронов. С другой стороны, геометрическая форма ленточных диодов могла позволить существенное по сравнению с КДМИ увеличение длительности генерации пучка при относительно небольшом магнитном поле. Отсутствие в середине 80-х годов экспериментальных и теоретических данных, касающихся физики сильноточных ленточных РЭП, привело к необходимости развернуть исследования процессов генерации, транспортировки и преобразования таких пучков. Поскольку генераторы электронных пучков с энергозапасом в сотни килоджоулей являются довольно сложным и дорогостоящим сооружением, то экспериментальные исследования по ленточным пучкам следовало начинать при относительно небольшом энергозапасе, а затем, базируясь на этих результатах, можно было переходить к полномасштабному эксперименту. При этом большое значение могли иметь аналитическое рассмотрение и численное моделирование различных процессов с участием ленточных РЭП.
Цел» работы. Основной целью данной диссертационной работы явились экспериментальные и теоретические исследования пофиоике сильноточных ленточных электронных пучков микросекундной длительности, которые должны были обеспечить достижения в таких пучках энергоза-паса масштаба нескольких сотен килоджоулей. Эти исследования должны были включать в себя генерацию ленточных пучков, транспортировку их в щелевых каналах и, наконец, преобразование таких пучков к состоянию, которое является приемлемым для инжекции в соленоид установки ГОЛ-3. В рамках отой общей задачи прежде всего необходимо было создать экспериментальную установку с адекватной энергетикой и структурой. Затем, на этой установке следовало провести указанные исследования, постепенно наращивая опергооапас в пучках от уровня в несколько десятков килоджоулей до уровня, приближающегося к 0.5 МДж.
Научная новизна работы. В результате выполнения данной работы:
-
Проанализировано влияние различных параметров задачи на угловую расходимость электронов сильноточного РЭП, генерируемого в ленточном диоде с магнитной изоляцией в условиях, когда возможно нарушение условия адиабатичности движения, и определен путь достижения малого углового раоброса при умеренном оначении ведущего магнитного поля.
-
Проведены экспериментальные исследования и компьютерные расчеты, позволившие создать ленточный диод с магнитной изоляцией, который в условиях мегавольтного напряжения и ведущего магнитного поля ~ 3 — 5 кГс обеспечивает генерацию пучка с погонным током масштаба 0.5 кА/см и длительностью до 10 мкс.
-
Определена зависимость предельного тока ленточного пучка от величины ведущего магнитного поля при транспортировке его в вакуумном щелевом канале. Установлены требования, которым должны удовлетворять экспериментальные условия для сохранения равновесной формы сечения ленточного пучка при его транспортировке с погонным током, приближающимся к вакуумному пределу.
-
Осуществлено преобразование формы сечения пучка из ленточной в круглую путем трансформации сечения потока ведущего магнитного поля, и реализован в эксперименте процесс перевода сильноточного ленточного РЭП из одного щелевого канала в другой за счет быстрого пересоединения силовых линий ведущего магнитного поля.
5. Создан комплекс устройств, позволивших получить полномасштаб
ный, с сечением 4 х 130 см, ленточный пучок электронов с энергией около
одного МоВа, током масштаба 50 кА и полным энергосодержанием около
0.4 МДж. Эффективность передачи энергии но емкостного накопителя
в такой пучок достигает 75%. С близкой по величине эффективностью указанный пучок преобразован в кругльици осуществлено сжатие его сечения более чем в десять раз.
6. Предложены и реализованы в эксперименте два новых метода измерения энергетического и углового разброса пучковых электронов в условиях оамагниченности в ведущем поле.
Практическая значимость. Проведенные исследования по сильноточным ленточным РЭП обеспечили подъем энергосодержания в микросекундных пучках в несколько раз и вывели его на уровень, приближающийся к 0.5 МДж. Полученный в эксперименте ленточный пучок с длительностью близкой к 10 мкс и энергосодержанием около 400 кДж может послужить основой для создания генератора миллиметрового излучения с рекордными параметрами. Проведенное преобразование и сжатие сечения такого пучка уже сейчас позволяет начать эксперименты по нагреву плазмы в установке ГОЛ-3 при энергозапасе инжектируемого в плазму пучка около 300 кДж.
Реализованная в эксперименте коммутация потоков ведущего магнитного поля за счет пере соединения его силовых линий может быть использована в термоядерных исследованиях как для реализации поочередной инжекции нескольких пучков в нагреваемую плазму, так и для защиты ускорительного диода от потока горячей плазмы, вытекающей через торец соленоида.
Созданные автором два новых метода измерений энергетического и углового распределений в потоке замагниченных электронов с энергиями в десятки и сотни электроновольт используются в экспериментах по пучково-плазменному взаимодействию.
На защиту данной работы вынесены следующие основные научные положения:
-
В рамках теоретических моделей показано, что при генерации ленточного пучка в диоде с магнитной изоляцией можно создать условия, при которых происходит взаимная компенсация вкладов в угловую расходимость электронов от движения на последовательно расположенных участках траектории. В этом случае результирующая угловая расходимость сильноточного пучка может быть снижена до уровня ~ Ю-2 рад при относительно небольшом (~ 5 кГс) ведущем магнитном поле в диоде.
-
Компьютерным подбором геометрии катод-анодного промежутка и хода силовых линий ведущего магнитного поля, а также использованием подходящих графитовых материалов для изготовления катода и анода удается достигнуть при напряжении ~ 1 MB и магнитном поле ~ 5 кГс хорошей устойчивости в поведении сопротивления ленточного диода с
магнитной изоляцией в течение времени масштаба десяти микросекунд. В этом случае параметр, характеризующий удельную энергоемкость ленточных пучков и равный произведению погонного тока пучка на длительность импульса, оказывается близким к 4 кА-мкс/см, что в несколько раз превышает его значения, достигнутые для коаксиальных диодов с магнитной изоляцией.
3. Из рассмотрения устойчивости равновесия сильноточного ленточ
ного РЭП в щелевом канале по отношению к мелкомасштабным возмуще
ниям при ширине пучка много больше его толщины определена зависи
мость предельного вакуумного тока пучка от величины ведущего магнит
ного поля и степени заполнения пучком сечения канала. Показано, что
в широком диапазоне параметров ота зависимость носит универсаль
ный характер. В модельных экспериментах, проведенных при аспект-
ном отношении для сечения пучка ~ 10, показано, что теоретическая
зависимость предельного тока от магнитного поля неплохо описывает
экспериментальные данные.
-
Экспериментально установлены закономерности влияния на равновесную форму сечения ленточного РЭП в щелевом канале со стороны ведущего магнитного поля, плотности тока пучка, а также степени заполнения пучком сечения канала. Зарегистрировано разрушение равновесной формы сечения пучка при нейтрализации его объемного заряда плазмой, возникающей в канале, и за счет развития крупномасштабных возмущений в дрейфовом движении электронов по сечению пучка. Экспериментально определены условия, при которых ленточный пучок с погонным током около 1 кА/см и длительностью масштаба 10 мкс транспортируется в щелевом вакуумном канале без потерь электронов и заметных деформаций поперечного сечения.
-
В модельных экспериментах, поставленных при аспектном отношении ленточного сечения масштаба десяти и энергозапасе в пучке до 50 кДж, исследован процесс преобразования микросекундного РЭП из ленточного в круглый и выявлены оптимальные условия для его реализации; осуществлено переключение ленточного пучка из одного щелевого канала в другой.
-
Продемонстрирована возможность проводки ленточного пучка с погонным током 0.3 кА/см через плоский ондулятор с продольным ведущим магнитным полем масштаба 54-10 кГс и поперечной составляющей ~ 1 кГс. В условиях, когда циклотронная частота электронов близка к баунс-частоте, в такой системе получена генерация электромагнитного излучения в области длин воли 2-=-8 мм с длительностью около 2 мкс.
-
На основе результатов проведенных модельных экспериментов,
а также решения задач о трехмерном распределении магнитных полей и самосогласованном движении плотного потока релятивистских электронов, создан комплекс устройств, позволяющих осуществлять генерацию, транспортировку и преобразование полномасштабного (с сечением 4 х 140 см) ленточного пучка с высокой эффективностью. В ходе экспериментов на этом комплексе получен ленточный пучок с энергией электронов около 1 МэВа, током масштаба 50 кА и длительностью до 10 мкс; полный энергозапас в этом пучке достигает 0.4 МДж. Высокая (~ 75%) эффективность преобразования такого пучка в круглый открыла возможность его использования для инжекции в плазму установки ГОЛ-3. Измеренный угловой разброс электронов после преобразования и сжатия сечения пучка позволяет ожидать высокую эффективность передачи энергии от полученного в итоге пучка к плазме.
-
Базируясь на JDC-ячейках Фитча со специально созданными спаренными разрядниками, создан генератор импульсного напряжения с энергоемкостью около 0.7 МДж, который формирует на ускорительном диоде мегавольтный импульс с формой, приближающейся к прямоугольной, и длительностью на полувысоте более 6 мкс.
-
Предложены и реализованы два новых метода, предназначенных для измерения энергетического и углового распределения пучковых электронов при наличии ведущего магнитного поля. Распределение электронов по энергиям определяется по их распределению по толщине вещества при поглощении, а угловое распределение—по прохождению электронов через коллимационные отверстия.
Аппробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах термоядерных лабораторий Института ядерной физики СО РАН; Звенигородских коференциях по физике горячей плазмы и управляемому термоядерному синтезу 1978-1992 гг.; 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; Международной школе по физике плазмы, Варенна, Италия; 13 и 14 Международных симпозиумах по разрядам и злектроизоляции в вакууме, Париж, Франция, 1988 и Санта-Фе, США, 1990; Международной конференции по физике плазмы, Нью-Дели, Индия, 1989; 12 и 14 Международных конференциях по лазерам на свободных электронах Париж, Франция, 1990 и Кобе, Япония, 1992; Международных конференциях по
мощным пучкам частиц, Новосибирск, 1990 и Вашингтон, 1992.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав и заключения; она содержит 281 страницу текста, включая 95 рисунков и список литературы.
Похожие диссертации на Ленточные микросекундные электронные пучки с энергозапасом в сотни килоджоулей : (генерация, транспортировка и преобразование для нагрева плазмы)
