плазменная электроника

ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА - раздел физики плазмы, изучающий коллективные взаимодействия плотных потоков (пучков) заряж. частпц с плазмой и газом, приводящие к возбуждению в системе линейных и нелинейных эл--магн. волн и колебаний, и использование эффектов такого взаимодействия. Прикладные задачи, к-рые ставит и решает П. э., определяют её осн. разделы: плазменная СВЧ-электроника, изучающая возбуждение в плазме интенсивного когерентного эл--магн. излучения, начиная от радио- и вплоть до оптич. диапазона длин волн; плазменные ускорители, осн. на явлении коллективного ускорения тяжёлых заряж. частиц электронными пучками и волнами в плазме; плазменно-пучковый разряд ,основанный на коллективном механизме взаимодействия плотных пучков заряж. частиц с газом; турбулентный нагрев плазмы плотными пучками заряж. частиц и коллективные процессы при транспортировке и фокусировке пучков в проблеме УТС (см. Ионный термоядерный синтез); неравновесная плазмохимия ,изучающая процессы образования возбуждённых молекул, атомов и ионов при коллективном взаимодействии пучков заряж. частиц с газом и плазмой.
Историческая справка. П. э. возникла после открытия А. И. Ахиезером и Я. Б. Файнбергом (1948), Д. Бомом (D. Bohm) и Э. Гроссом (Е. P. Gross, 1949) явления пучковой неустойчивости, представляющего собой вынужденное черенковское излучение плотным моноэнергетич. пучком электронов продольных эл--магн. волн в плазме. Одним из осн. направлений коллективных методов ускорения, основы к-рых были заложены работами советских учёных В. И. Векслера, Г. И. Будкера и Я. Б. Файнберга, является метод ускорения электронов и ионов волнами плотности заряда в плазме и некомпенсиров. пучках заряж. частиц, предложенный Я. Б. Файнбергом в 1956. В 1965 Е. К. Завойский и Я. Б. Файнберг предложили использовать электронные пучки и возбуждаемые ими эл--магн. волны для пучкового и турбулентного нагрева плазмы. Идея турбулентного нагрева плазмы позволила Е. К. Завойскому в 1969 сформулировать осн. принципы инерциального электронного УТС. В 70-х гг. Д. Д. Рютовым был предложен нагрев плазмы релятивистскими пучками в открытых ловушках.
Параллельно возникли и развивались направления, связанные со слабоионизованной плазмой. Открытие плазменно-пучкового разряда (1961) послужило основой создания новых источников плазмы, использующих энергию плотных электронных пучков для ионизации газа. Создаваемая в таких источниках плазма оказалась сильно неравновесной с большим числом возбуждённых ионов, атомов и молекул в метастабиль-ных состояниях, инициирующих ряд новых типов плазмохим. реакций. Неравповесная плазма пучкового разряда является рабочим веществом в плазмохим. реакторах по разделению изотопов, в квантовых генераторах когерентного излучения - плазменных лазерах и мазерах и др.
Коллективные взаимодействия. Все направления П. э. базируются на коллективных взаимодействиях потоков заряж. частиц с плазмой и возбуждении сильных эл--магн. полей. В основе коллективного взаимодействия лежат элементарные процессы излучения и поглощения эл--магн. излучения заряж. частицами: одночаетпчный и коллективный эффекты Черенкова, нормальный и аномальный эффекты Доплера, циклотронное и спнхротронное излучение и поглощение, ондуляторное излучение, параметрич. резонансное излучение, переходное излучение, томсоновское и комптоновское рассеяние, Мандельштама - Бриллюэна рассеяние и др. Если в плазме определённая группа частиц совершает упорядоченное движение, то при достаточно большой их плотности имеет место коллективное излучение эл--магн. волн: часть энергии упорядоченного движения переходит в энергию эл--магн. излучения. Именно так происходит в плазменных усилителях и генераторах эл--магн. волн. В свою очередь, в регулярных полях возбуждённых в плазме волн сторонние заряж. частицы могут приобрести упорядоченную энергию (коллективное ускорение). В нерегулярных полях с относительно широким спектром плазменных волн заряж. частицы приобретают неупорядоченную энергию вследствие поглощения этих волн и происходит нагрев плазмы. Поскольку пучки заряж. частиц могут обладать весьма большой кинетич. энергией, то и нагрев плазмы может быть значительным, вплоть до термоядерных темп-р. Такое возможно, однако, только в случае сильноионизованной плазмы. В слабоионизованной плазме существ. часть энергии передаётся нейтральным атомам и молекулам, в результате чего происходит их разогрев, возбуждение, диссоциация и ионизация. Эти процессы, в свою очередь, инициируют новый тип разряда, нлазменно-пучковый разряд, новые типы хим. реакций (плазменно-хим. реакции), а также определяют работу нового типа квантовых генераторов - плазменных лазеров и мазеров, основанных на переходах в ионных и ионно-молекулярных уровнях энергий.

Отличия и достоинства П. э. Подобно вакуумной и квантовой электронике П. э. основана на явлении индуцированного (вынужденного) излучения и поглощения эл--магн. волн заряж. частицами в плазме. Но если вакуумная электроника рассматривает излучение потоков заряж. частиц, движущихся в электродинамич. структурах - металлич. либо диэлектрич. волноводах и резонаторах, то П. э. исследует излучение потоков заряж. частиц, движущихся в плазме, в плазменных волноводах и резонаторах (см. Волновод плазменный). Частота эл--магн. излучения в вакуумной электронике определяется конечными геом. размерами волноводов и резонаторов, а в квантовой электронике - дискретностью энергетич. уровней излучателей (возбуждённых атомов и молекул); поэтому генераторы когерентного эл--магн. излучения в вакуумной и в квантовой электронике узкополосны, менять их частоту плавно практически невозможно. В плазменных приборах частота зависит не только от геом. размеров волноводов и резонаторов, но и от плотности плазмы, поэтому излучатели в П. э. многомодовые; меняя плотность плазмы, можно менять частоты в широком интервале. В этом заключается одно из существ. отличий и преимуществ П. э. Так, напр., частота продольных ленгмюровских колебаний холодной изотропной плазмы (в системе ед. CGSE) где n_р - плотность плазмы. При изменении реально используемой плотности плазмы в пределах (10¹⁰ - 1C¹⁹) см^-3 можно возбуждать волны длиной (10^-3 - 10²) см, что перекрывает всю полосу СВЧ от субмиллиметрового и до дециметрового диапазона. При наложении на плазму внеш. магн. поля диапазон частот собств. люд эл--магн. колебаний плазмы расширяется.
Дисперсионное ур-ние, описывающее возбуждение волн моноэнергетич. перелятивистским электронным пучком в простейшем случае холодной изотропной плазмы, записывается в виде

Здесь - ленгмюровская частота электронов пучка (beam), n_b - плотность, и - скорость пучка, k - волновой вектор, - комплексная частота, действит. часть к-рой представляет частоту возбуждённых продольных колебаний поля, а мнимая часть - инкремент нарастания их амплитуды.
Если п_р п_ь, то, как следует из решения ур-ния (1), частота нарастающих во времени колебаний

причём ku = Из соотношения (2) видно, что механизмом раскачки колебаний является эффект Черенкова - скорость пучка находится в резонансе с фазовой скоростью волны, но несколько больше последней. Раскачка колебаний происходит с инкрементом, равным до тех пор, пока скорость пучка не уменьшится до скорости волны. Отсюда можно найти амплитуду насыщения поля волны:

Второе отличие П. э. от вакуумной состоит в том, что если в последней возбуждаются поверхностные волны, либо осн. моды эл--магн. колебаний диэлектрич. волноводов и резонаторов, то в П. э. происходит также эфф. возбуждение высоких объёмных мод с намного меньшей геом. размеров плазменных волноводов и резонаторов. Макс. достижимая напряжённость электрич. поля в плазме (с - скорость света) и при плотности плазмы n_p(10¹⁴10¹⁸)см^-3 составляет 10⁷10⁹ В/см. В таком поле весьма эффективно будут ускоряться заряж. частицы до больших энергий на относительно малых длинах (на длине ~100 см частицы могут ускоряться до ~10³ МэВ). Существенно и то, что при возбуждении высоких мод объёмных колебаний ослабляется возможность пробоев на стенках плазменных волноводов и резонаторов.
Осн. преимущество П. э. перед вакуумной - пропускать пучки с большими токами. В вакуумных системах токи пучков ограничены сверху пространственным зарядом. Напр., через вакуумный цилиндрич. волновод радиуса R можно транспортировать трубчатый электронный пучок с током, не превышающим

Здесь - релятивистский фактор, - кинетич. энергия электрона, r_b - ср. радиус пучка толщиной
При движении потоков заряж. частиц в плазме происходит компенсация объёмного заряда и тока индуцированными в плазме полями и токами. Благодаря этому в плазменных системах возможно достижение больших токов, но и здесь существует верхний предел, определяемый устойчивостью пучка

Из (5) видно, что для пучка с энергией 1 МэВ предельный плазменный ток I_п достигает 100 кА, а мощность пучка - 100 ГВт, что намного превышает предельные значения в вакуумных системах. При этом скомпенсиров. по заряду пучки более однородны по сечению и поэтому более эффективно взаимодействуют с эл--магн. волнами в плазме. В результате существенно повышается эффективность возбуждения эл--магн. волн потоками заряж. частиц и достигаются значительно большие мощности излучения, чем в вакуумной электронике. В 70-х гг. появились источники мощных высокоэнергетич. электронных и ионных пучков (энергия частиц ~1 МэВ, токи ~10⁵ - 106 А). При длительности импульса ~10^-7 с полная энергия в таких пучках >10⁶ Дж, что вполне достаточно для инициирования термоядерной вспышки в дейтерий-тритиевых мишенях миллиметрового диаметра. Инерциальный УТС с использованием интенсивных ионных пучков считается одним из наиболее перспективных и интенсивно развивается.

Релятивистская П. э. Мощные мегавольтные электронные пучки открыли новые перспективы перед П. э., связанные с релятивизмом электронов. Развитию релятивистской П. э. способствовало теоретич. доказательство увеличения с ростомэффективности плазменно-пучкового взаимодействия

несмотря на уменьшение линейного инкремента Imw - Эл--магн. колебания и волны в плазме обладают самыми разнообразными фазовыми скоростями. В плазме существуют колебания, фазовая скорость к-рых намного меньше скорости света и даже тепловой скорости частиц; к их числу относятся ленгмюровские колебания, ионно-звуковые и альфеновские волны и др. Такие волны легко возбуждаются нерелятивистскими пучками заряж. частиц. Но, обладая малыми фазовыми скоростями, такие волны заперты в плазме, не излучаются, а со временем диссипируют, поглощаясь частицами плазмы. Именно поэтому возбуждение медленных волн в плазме нерелятивистскими пучками заряж. частиц служит эффективным каналом для пучкового нагрева плазмы.
С др. стороны, в плазме существуют и быстрые эл--магн. волны, фазовая скорость к-рых Особенно много таких эл--магн. волн в плазме, находящейся в сильном внеш. магн. поле (см. Волны в плазме ).Очевидно, что возбуждение быстрых волн в плазме возможно лишь интенсивными релятивистскими электронными пучками. Поэтому с появлением мощных источников релятивистских электронных пучков стала бурно развиваться релятивистская плазменная СВЧ-электроника.
Релятивистские скорости и большие токи изменяют характер взаимодействия сильноточных релятивистских электронных пучков с плазмой. Тот факт, что при даже значит. потери энергии электронов не нарушают условие черепковского резонанса, проявляется в увеличении кпд генерации эл--магн. излучения (6). Эта оценка справедлива, пока При больших токах пучка величину удаётся определить только численно. В оптимальных условиях, когда геометрии пучка и плазмы совпадают, значения h весьма высоки и медленно спадают с ростом тока пучка (рис.).

Зависимость кпд генерации электромагнитного излучения в плазменном генераторе с релятивистским пучком от тока пучка I_b.

При 1 МэВ и I_b = 2I₀ 25 кА (в пучке с 0,15 см при этом п_b 5 x 10¹² см^-3) 0,2, т.е. ок. 20% электрич. энергии пучка может перейти в энергию эл--магн. излучения; мощность излучения составит 5 ГВт. Поскольку фазовая скорость эл--магн. волн при этом очень близка к скорости света, всё излучение практически без потерь будет выходить из плазмы (потери вследствие отражения от поверхности плазмы не превышают 2,5%).
Частота генерируемого излучения в случае даётся ф-лой

Здесь - поперечное волновое число возбуждаемой пучком плазменной эл--магн. волны. В случае возбуждения аксиально-симметричных мод колебании в плазме с трубчатой геометрией, совпадающей с геометрией пучка (r_ь = r_р,), имеем

Из ф-л (7) и (8) следуют весьма важные выводы. При условии

в системе будет возбуждаться одна единственная осн. мода колебаний, частота к-рой растёт с увеличением плотности плазмы; т. е. частота, в отличие от вакуумной электроники, не жёстко связана с размерами резонатора, а может меняться в широком диапазоне. Для указанных выше параметров плазмы и пучка 2,5 x 10¹¹ с^-1 (что соответствует длине волны 8 мм) при "рмакс 5 x 10¹³ см^-3. Поскольку фазовая скорость возбуждаемой волны близка к скорости света, поле волны сильно непотенциально, причём энергия поля составляет 20% от энергии пучка. А это означает, что напряжённость поля достигает величины Е_макс ⁼ 3 x 10⁶ В/см; такое поле может обеспечить ускорение заряж. частиц в плазме до энергии 300 МэВ на длине 100 см, что безусловно является ещё одним преимуществом сильноточной релятивистской П. э.
Такое высокоэфф. возбуждение эл--магн. излучения, так же как и эфф. ускорение заряж. частиц волнами в плазме, возможно только в условиях одномодового возбуждения, т. е. в условиях (9). Если же плотность плазмы очень велика, так что выполняется неравенство для большого числа мод колебаний, то в плазме происходит возбуждение многомодового излучения, к-рое быстро поглощается электронами плазмы и приводит к их разогреву. Кпд преобразования энергии пучка в энергию многомодового излучения при этом остаётся прежним (6), что позволяет дать оценку разогрева электронов плазмы сильноточным релятивистским электронным пучком:

Для приведённых выше параметров пучка при п_р 10¹⁵ см^-3 имеем Т_е500 эВ (5 x 10⁶К), что свидетельствует о возможности нагрева плазмы сильноточными пучками электронов до высоких термоядерных темп-р и инициирования термоядерных реакций.
Сильноточные релятивистские электронные пучки имеют ещё одно преимущество. Они могут инициировать плазменно-пучковый разряд и создавать плазму высокой плотности в разл. плазмохим. реакторах. Обладая большой энергией в целом, релятивистские электронные пучки способны обеспечить большой выход в одном импульсе и высокую ср. мощность при использовании пучков импульсно-периодич. режимов. А высокая энергия электронов обусловливает хорошую однородность плазмохим. реакторов даже при очень больших давлениях газа в них, намного превышающих атмосферное. Именно благодаря таким преимуществам на плаз-менно-пучковом разряде с использованием сильноточных релятивистских электронных пучков реализованы химические лазеры на водородо-фтористых смесях, дающие когерентное излучение на длине волны 3 мкм с энергией до неск. кДж в импульсе длительностью 100 нc и обладающие кпд по отношению к энерговкладу пучка в газ до 700%. Созданы эксимерные плазменные лазеры на смесях Аr + Fr + Кr субмикронного диапазона длин волн с энергией до 1 кДж в импульсе длительностью40 нc и кпд до 10%.
Релятивистская П. э., в особенности экспериментальная, сделала только первые шаги. Теория уже сформулировала ряд интересных физ. проблем, связанных с релятивизмом и сильноточностью пучков, к-рые требуют эксперим. исследования. Тем не менее много нерешённых проблем осталось и у теории, и в первую очередь исследования разл. механизмов взаимодействия электронных пучков с плазмой.

Лит.: 1) Файнберг Я. Б., Ускорение частиц в плазме, "Атомная энергия", 1959, т. 6, с. 431; 2) его же, Ускорение заряженных частиц в плазме, "УФН", 1967, т. 93, с. 617; 3) Бернашевский Г. А. и др., Плазменные и электронные усилители и генераторы СВЧ, М., 1965; 4) Рабинович М. С., Рухадзе А. А., Принципы релятивистской СВЧ плазменной этектроники, "Физика плазмы", 1976, т. 2, с. 715; 5) Босданкевич Л. С. Рабинович М. С., Рухадзе А. А., Релятивистская сильноточная СВЧ плазменная электроника, "Изв. ВУЗов. Физика", 1979, т. 10, с. 47; 6) Файнберг Я. Б., Некоторые вопросы плазменной электроники, "Физика плазмы", 1985, т. 11, с. 1398; 7) Богданкевич Л. С., Кузелев М. В., Рухадзе А. А., Плазменная СВЧ электроника, "УФН", 1981, т. 133, с. 3; 8) Кузелев М. В. и др., Релятивистская сильноточная плазменная СВЧ электроника: преимущества, достижения, перспективы, "Физика плазмы", 1987, т. 13, с. 1370.

Я. Б. Файнберг, А. А. Рухадзе.