Введение к работе
Актуальность работы. Мощные релятивистские электронные пучки (РЭП) применяются для генерации рентгеновского и СВЧ излучений, накачки лазерных сред, эффективного нагрева плазмы в открытых ловушках и для других целен. В настоящее время получены пучки с энергосодержанием несколько сотен кДж при энергии электронов порядка 1 MB. Дальнейшее повышение параметров РЭП (таких, как энергосодержание, энергия электронов, плотность тока) делает необходимым детальное изучение процессов, происходящих в диоде во время генерации РЭП. Новые методики измерений, разработанные для этих целей могут применяться и на других устройствах, например, в ионных ускорителях. Оптические диагностики являются наиболее адекватным, а, зачастую, единственным методом исследования диодов и высокотемпературной плазмы. Развитие этих методов применительно к экспериментам по взаимодействию РЭП с плазмой является важной составляющей работы.
Цель работы. Диссертационная работа заключалась в разработке и практическом применении нового бесконтактного метода измерения локальной напряжённости электрического поля с временным разрешением. Необходимо было провести теоретические расчёты для обоснования метода, проверить эти расчёты на стендовой установке, а затем применить этот метод в экспериментах по изучению движения эмнссшшых границ анодной и катодной плазм в диоде мощного электронного ускорителя. Другой целью работы являлось измерение и оптимизация параметров предплазмы, создаваемой для экспериментов по взаимодействию РЭП с плазмой, исследование процессов взаимодействия, с применением оптических средств диагностики, как специально разработанных, так и традиционных, адаптированных к условиям плазменно-пучкового эксперимента.
Научная новизна. Был разработан новый метод измерения электрических полей. Продемонстрирована возможность использования метода в сложных экспериментальных условиях при наличии мощных электромагнитных и рентгеновских полей (мощность импульса ускорителя ~ 20 ГВт). Впервые на подобного класса, устройстве осуществлены прямые измерения напряжённости электрического поля в процессе генерации РЭП
с временным разрешением. Исследования показали что в период 1 -т-1,5 мкс после начала генерации РЭП диод переходит в биполярный режим. Скорости движения эмиссионных границ анодной и катодной плазм примерно одинаковы и равны приблизительно 106 см/с.
Для экспериментов по исследованию предплазмы был разработан новый тип оптического плазмоскопа. Исследования с его помощью показали, что гелиевая предплазма, получаемая с помощью прямого разряда, становится однородной после 10 мкс от начала разряда, и некоторое время сохраняется благоприятное для пучково-плазменных экспериментов распределение плотности, а после окончания тока проявляется неоднородность с характерной лучевой структурой. В пучково-плазменных экспериментах было обнаружено, что нагрев плазмы наиболее эффективен при инжекции пучка в однородную предплазму. В этих экспериментах достигнута электронная температура 500 эВ при электронной плотности плазмы ~ 1015 см"*3. Показано, что в исследуемом интервале плотностей плазмы зависимость энергопотерь пучка от плотности соответствует теоретической 1/п. Была продемонстрирована возможность использования в пучково-плазменных экспериментах спектроскопического метода определения температуры электронов, который дал хорошее согласие с традиционным диамагнитным (в комплексе с интерферометрическим).
Практическая ценность. Метод активной штарковской спектроскопии (АШС) выгодно отличается от других методов высокой надёжностью результатов и относительной простотой. Метод АШС позволяет дистанционно измерять локальную напряжённость электрического поля с разрешением по времени. Новый способ измерения универсален и может быть использован в широком ряде устройств. Модификация метода с использованием ЭОП может использоваться для мгновенного измерения пространственного распределения электрических полей. Результаты исследований характеристик предплазмы позволили провести эксперименты по нагреву плазмы на установке У-1-СПИН при оптимальных условиях и достичь высоких параметров плазмы. Апробированные в работе оптические методы диагностики плазмы с успехом применяются на установке нового поколения ГОЛ-3.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на Звенигордскнх конференциях по физике плазмы 1990-1992 гг.; 8-м Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике, Свердловск, 1990, г.; 8-й Международной конференции по мощщлм пучкам частиц "BEAMS'90", Новосибирск, 1990; 9-й Международной конференции по мощным пучкам частиц "BEAMS'92", Вашингтон, 1992 г.
По теме диссертации опубликовано 12 статей и 1 препринт.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, трёх глав и Заключения и содержит 122 страницы машинописного текста, включая 42 рисунка и список литературы из 107 наименований.
