сильноточные пучки

СИЛЬНОТОЧНЫЕ ПУЧКИ - пучки заряж. частиц, в к-рых собственные поля оказывают определяющее воздействие на динамику пучка. Характерный масштаб тока С. п. равен , где кА (для электронов), m - масса, е - заряд электрона, - растущая ф-ция полной анергии частиц (в единицах тс²), зависящая от конкретной геометрии пучка. Существ, превышение тока над I₀ может быть достигнуто лишь при скоростях частиц, близких к с, или при компенсации объёмного заряда пучка неподвижными ионами. По переносимой мощности С. п. достигают ~10¹³ Вт, по запасённой энергии - 10⁶ Дж, по энергии частиц 10 МэВ. Применяются как энергоноситель в схемах с быстрой кумуляцией энергии (инерциальный УТС; см. Инерциальное удержание плазмы), в приборах сильноточной электроники, для коллективного ускорения частиц (см. Коллективные методы, ускорения)и т. д. Генерируются в сильноточных ускорителях в диапазоне длительностей импульса от 10 не до 10 мкс.

Непосредств. источником электронного С. п. обычно является высоковольтный диод, работающий в режиме ограничения тока пространственным зарядом. Длительность импульса определяется временем перекрытия диодного промежутка прпэлектродной плазмой. Плотность однородного тока эмиссии в плоском зазоре шириной d даётся законом «трёх вторых», j , где - анодное напряжение (в единицах mc²/е). При повышении анодного напряжения сверх значения, где R - радиус катода, одномерность нарушается и диод переходит в режим сильного сжатия потока собств. магн. полем пинча (см. Пинч-эффект ).Эффективно эмиттирует тогда только кольцевая периферич. часть, а С. п. собирается на аноде вблизи оси в области с размером ~d. На осн. части диода линии тока С. п. лежат на искажённых пространственным зарядом эквипотенц. поверхностях, поэтому такой поток получил назв. парапотенциального. Макс. ток С. п. в паропотенц. режиме равен

Для вывода C. п. из диода либо используется прозрачный для электронов фольговый анод, либо коаксиальный диод помещается в продольное магн. поле. Электронный парапотенц. поток трубчатой конфигурации движется в коаксиальном диоде вдоль цилиндрич. эквипотенц. поверхностей и не пересекает зазор в радиальном направлении (т. н. магн. изоляция). Достаточный для изоляции магн. поток через диод равен Ток, отдаваемый коаксиальным диодом с магн. изоляцией, определяется пропускной способностью канала транспортировки, а длительность импульса - временем перекрытия зазора приэлектродной плазмой поперёк изолирующего магн. поля. Наилучшие результаты по длительности и устойчивости работы диода получены в неоднородном сходящемся магн. поле.

Распространение С. п. в вакууме возможно в продольном магн. поле, заметно превышающем , где а - радиус С. п., но даже в бесконечно большом поле ток не может превышать величину, где b - радиус камеры дрейфа. Ограничение обусловлено повышением электростатич. потенциала в объёме пучка за счёт его пространственного заряда и слабее всего сказывается в случае трубчатого пучка. Приведённая энергия частиц в С. п. составляет при этом лишь. Частичная нейтрализация пространственного заряда увеличивает предельный ток.

Поскольку С. п. в магн. поле вращается как целое, ему свойствен сильный диамагнетизм, вплоть до обращения знака (реверса) поля внутри трубчатого пучка (т. н. Е-слой). С учётом диамагнетизма физически заданным параметром следует считать не ведущее магн. поле, а полный магн. поток, замороженный в камере дрейфа и перераспределяющийся по сечению при инжекции пучка. Для тонкостенного заряженного трубчатого пучка в магн. поле характерна неустойчивость, приводящая к разбиению его на отдельные спиралеобразные струи.

Полностью нейтрализованный С. п. не ограничен по току, но собств. магн. поле сильно фокусирует его частицы, совершающие поперечные колебания с длиной волны порядка или меньше радиуса пучка. Поэтому ср. поперечный импульс частиц в С. п. больше продольного, а поперечное распределение плотности тока имеет выраженный трубчатый характер.

Зарядовая нейтрализация пучка происходит при инжекции в достаточно плотную плазму за счёт вытеснения из его объёма медленных плазменных электронов с характерным временем , где - проводимость плазмы. Если к моменту достижения нейтрализации ток С. п. продолжает нарастать, то эдс индукции создаёт ток оставшихся плазменных электронов, направленный против тока пучка и вызывающий токовую нейтрализацию. При небольшой плотности плазмы, когда плазменная частота, обратный ток распределён по всему объёму, так что токовая нейтрализация неполна и имеет интегральный характер. При происходит локальная нейтрализация, за исключением поверхности С. п., где образуется двойной токовый слой толщиной и сосредоточено магн, поле. В таких условиях частицы С. н. практически свободны, а сам он электродинамически ненаблюдаем. Эффективность переноса пучком мощности и энергии через плазму на расстояния ~ 1м близка к 100%, но на больших расстояниях уменьшается за счёт разл. неустойчивостей С. п., в первую очередь поперечной неустойчивости, выражающейся в изгибании пучка как целого и разбиения его на отд. нити.

При инжекции пучка в нейтральный газ существенны процессы нестационарной ионизации, длительность к-рых может быть сравнима с длительностью С. п. Вначале за время (для воздуха) порядка (0,7/р) нс, где р - давление газа в мм рт. ст. (торрах), за счёт прямой ионизации образуется кол-во ионов, достаточное для зарядовой нейтрализации, и вторичные электроны перестают уходить поперёк пучка. После этого медленные электроны дают вторичную ионизацию, скорость к-рой определяется ускоряющим их индукционным электрич. полем и давлением. Если за время существования С. п. успевает развиться ионизац. лавина, то проводимость скачком возрастает и все дальнейшие изменения тока С. п. точно компенсируются обратным током по плазме, что приводит к фиксации степени токовой нейтрализации и конфигурации пучка в момент пробоя. Эффективность распространения мала при малых давлениях (ниже 10^-3 торр), когда нет даже зарядовой нейтрализации, достигает максимума при давлениях 0,1-1 торр, где может осуществиться токовая нейтрализация, а при больших давлениях падает из-за процессов рассеяния.

С. п. положит. ионов (гл. обр. водорода) снимаются с прианодной плотной плазмы, имеющей эмиссионную способность до 1 кА/см², и выводятся в сторону катода. В режиме ограничения пространственным зарядом диодный промежуток в ср. нейтрален, но плотность полного тока превышает закон «трёх вторых» не более чем в два раза из-за локальной раскомпенсации ионного и электронного потоков. Ионы с массой М дают тогда лишь малую долю от полного тока, переносимого в осн. встречными электронами. Для повышения эффективности служит магн. изоляция электронной компоненты, не влияющая на распространение ионов. В рефлексных ионных диодах используется прозрачный для электронов анод, вблизи к-рого создаётся увеличенная плотность осциллирующих электронов. При этом может быть заметно превышен предел «трёх вторых» для ионов. Совр. конструкции диодов позволяют получать С. п. ионов ~МА при энергии ~1 МэВ и малой угл. расходимости. Распространение С. п. ионов возможно только в условиях зарядовой нейтрализации медленными сопровождающими электронами.

Лит.: Диденко А. Н., Григорьев В. П., Усов Ю. П., Мощные электронные пучки и их применение, М., 1977; Миллер Р., Введение в физику сильноточных

пучков заряженных частиц, пер. с англ., М., 1984; Быстрицкий В. М., Диденко А. Н., Мощные ионные пучки, М., 1984. А. Н. Лебедев. СИЛЬНОТОЧНЫЕ УСКОРИТЕЛИ - установки для получения сильноточных пучков заряж. частиц (электронов и ионов), создающих ток I > 10⁴ А при энергии частиц >10⁵ эВ. С. у. содержит источник импульсов высокого напряжения и вакуумный диод, на к-рый это напряжение подаётся и в межэлектродном промежутке к-рого происходит ускорение (рис. 1). Большинство С. у. являются ускорителями прямого действия, в к-рых частицы получают весь прирост энергии за один проход через ускоряющий промежуток (вакуумный диод), на электроде к-рого они и образуются.

Рис. 1. Схема сильноточного ускорителя: 1 - высоковольтный выпрямитель; 2 - промежуточный накопительный элемент; 3 - электроды двойной формирующей линии; 4 - трансформирующая линия передачи; Р - разрядники; С - конденсаторы.

Принцип действия. На диод подаётся напряжение от генератора мощных высоковольтных импульсов. Источником электронов или отрицат. ионов служит плазма, образующаяся за неск. нс на катоде в результате взрывной электронной эмиссии, когда при достижении ср. напряжённости поля на катоде ~10⁵ В/см происходит тепловой взрыв его микронеоднородностей. В ионных диодах плазма создаётся на аноде и из неё вытягиваются положит. ионы. Для эфф. работы ионного диода сопутствующий электронный ток на анод искусственно подавляют.

Образовавшиеся на катоде и аноде слои плазмы расширяются со скоростью v = (2- 3)*10⁶ см/с, межэлектродный промежуток (размером d от неск. мм до неск. см) сокращается в течение импульса. При относительно небольших напряжениях V [MB] в диоде с электродами в виде двух плоских дисков радиуса R (рис. 2, а) течёт равномерно распределённый электронный ток I = . Через время оба слоя плазмы соединяются и диод закорачивается. Время устойчивой работы диода, пока его сопротивление не сильно отличается от внутр. сопротивления генератора импульсов, должно быть в неск. раз меньше t_к и обычно не превосходит 100 нc. Это и определяет верх. границу длительности пучка С. у., если не приняты спец. меры для уменьшения v. Для эфф. работы С. у. за это же время в пучок должна быть передана существенная доля первоначально запасённой энергии.

В случае больших напряжений и отношения R/d, т. е. при больших токах, когда ларморовский радиус электронов в собств. магн. поле пучка становится мал по сравнению с зазором (рис. 2, б), диод переходит в режим сильного пинча. При этом эффективно эмиттируют только участки поверхности, расположенные на периферии катода, а ток на аноде сфокусирован в центральное пятно малого размера и определяется соотношением: где - полная энергия электронов в единицах энергии покоя m₀с². Для формирования выведенного пучка С. у. часто используют цилиндрич.

диоды, помещённые в аксиальное магн. поле (рис. 2, в). При большом электронном токе где r_а и r_к - радиусы анода и катода, такой диод может работать и без внеш. магн. поля. Чтобы ларморовский радиус электронов стал меньше межэлектродного расстояния и электроны не достигали анода, уже достаточно магн. поля тока, текущего по катодному стержню (явление магн. самоизоляции). В этом случае анодная плазма образуется позднее, а скорость разлёта катодной плазмы несколько ограничивается магн. полем и работоспособное состояние диода может поддерживаться >10 мкс.

Для генерации ионных пучков анод диода делают из диэлектрика соответствующего хим. состава. В результате пробоя на поверхности анода образуется плазма, из к-рой под действием внеш. поля и поля пространственного заряда электронов эмиттируются ионы. Для увеличения энергии в ионном пучке ток электронов, пересекающих диод, должен быть уменьшен, но сохранён большой отрицат. пространственный заряд. Для этого используется либо поперечное магн. поле, параллельное поверхности катода (т. н. ионные диоды с магн. изоляцией, рис. 3, а), либо полупрозрачные для ускоренных электронов аноды, покрытые диэлектриком (т. н. рефлексные диоды и триоды, рис. 3, б). Во втором случае электроны многократно проходят сквозь анод, создавая увеличенный отрицат. пространственный заряд, облегчающий вытягивание ионов из плазмы. При прочих равных условиях значение плотности тока ионов оказывается в раз меньше плотности электронного тока. Эффективность ионных источников достигает 50-60% при импульсном токе ионов I₀ ~ 1 МА и напряжении ~ 1 MB.

Рис. 2. Траектории электронов в диоде с малым (а) и большим (б) токами; в ~ в диоде с магнитной изоляцией.

Рис. 3. Схемы ионных диодов с магнитной изоляцией (о) и рефлексных диодов (б): К - катод; А - анод; П - поверхностная плазма; Н - поперечное магнитное поле; Тр_ - траектории электронов; - траектории ионов; В - виртуальный катод (плоскость остановки электронов).

Генератор мощных высоковольтных импульсов. В большинстве С. у. первичное накопление энергии осуществляется в конденсаторах С (рис. 1) при сравнительно низком напряжении (~100 кВ), после чего следует увеличение напряжения на один-два порядка либо с помощью импульсного трансформатора, либо коммутацией конденсаторной батареи из параллельного соединения в последовательное (схема Аркадьева - Маркса). Если длительность импульса больше времени работоспособного состояния диода, то приходится вводить «обостритель» импульсов (усилитель мощности) в одном или нескольких каскадах. Эти каскады обычно выполнены в виде отрезков линий передач, погружённых в диэлектрик для увеличения уд. энергоёмкости. Для этого используют жидкие диэлектрики (трансформаторное и касторовое масло в случае высокого напряжения, воду - низкого), не «запоминающие» пробоев и имеющие повыш. электрич. прочность при длительности импульса, меньшей ~1 мкс. Применение воды, имеющей высокую диэлектрич. проницаемость, и следовательно энергоёмкость, позволяет сократить размеры линии, но требует тщательной очистки и деионизации, чтобы исключить потери энергии за времена порядка 1 -10 мкс. Для малых напряжений и больших токов используются одинарные линии, в обратном случае - двойные (т. н. линии Блюмляйна), создающие удвоение напряжения на нагрузке, к-рой служит диод. В С. у. с малой запасаемой энергией низкоиндуктивный источник может непосредственно обеспечить на диоде импульс напряжения длительностью 100 нс. Такую же схему имеют С. у. с длительностью пучка1 мкс, но в этом случае схема Аркадьева - Маркса обычно собирается из искусств. длинных линий. Это позволяет получить на диоде импульсное напряжение, близкое к прямоугольному.

Поскольку ток и мощность С. у. определяются напряжением генератора высоковольтных импульсов, имеющим естеств. техн. ограничения, для достижения экстремальных параметров используется конструкция из модулей с умеренными параметрами каждого модуля и сложением выходных токов или напряжений спец. сумматорами. Так, в исследованиях по инерциальному УТС мощность пучка должна составлять десятки ТВт при энергии электронов ~10⁶ эВ или лёгких ионов ~10⁷ эВ. Для создания С. у. с такими выходными параметрами пучков разработаны схемы высоковольтных ускорителей с параллельным включением выходов неск. десятков модулей. Примеры таких установок - Proto-2 и PBFA-2 (США) и «Ангара»-5 (СССР) (табл. 1).

Табл. 1.- Параметры сильноточных ускорителей с параллельным соединением модулей

Для повышения энергии частиц в С. у. используется последоват. включение модулей, т. е. доускорение пучка. Практически это делается в линейных индукц. ускорителях либо в аналогичной по принципу действия последовательности ускоряющих промежутков, питаемых от собств. линий передачи. Непосредств. суммирование напряжений модулей до 20 MB на одном диоде осуществлено в установке «Гермес»-III с помощью длинного магнитоизолиров. штока-катододержателя, закреплённого лишь на низковольтном конце и проходящего через все модули.

В табл. 2 приведены нек-рые параметры американских С. у. (уже созданной установки «Гермес» и разрабатываемой установки EDNA) с последоват. суммированием напряжений отд. модулей.

Табл. 2.- Параметры сильноточных ускорителей со сложением напряжений модулей

	«Гермес»-III (США)	EDNA (США)
Выходное напряжение, MB	22	47
Выходной ток, МА	0,73	1,2
Длительность импульса, нс	40	60
Суммат ор
Длина, м	16	37
Число индукторов	20	40
Напряжение на индукторе, MB	1,1	1,2
Одинарные формирующие линии
Число	80	160
Импеданс, Ом	5	4
Зарядное напряжение, MB	2,6	2,9

Транспортировка пучков С. у. на большое расстояние представляет собой сложную проблему, связанную с преодолением сил пространственного заряда и тока (см. Сильноточные пучки ).Без компенсации пространственного заряда электронный пучок радиуса а может быть проведан в продольном магн. поле, жёсткость к-рого [кГс*см], но макс. ток ограничен теоретич. значением, где R - радиус канала транспортировки. При наличии в пучке положит. ионов с относит. плотностью (напр., при распространении в плазме низкой концентрации) поперечное расталкивание электронов сменяется сжатием. Необходимая плотность ионов устанавливается также при транспортировке электронных пучков в вакуумных каналах, на периферии к-рых имеется или создаётся самим пучком плотная плазма. Транспортировка ионных пучков С. у. не может быть обеспечена внеш. полями и требует компенсации сил пространственного заряда ионов медленными сопутствующими электронами. На практике такая нейтрализация осуществляется на выходе ионов из диодов.

Применение. С. у. служат гл. обр. для нагрева плазмы, создания с помощью полей пучка магнитных ловушек и для сжатия микромишеней в системах УТС с инерциальным удержанием плазмы. Кроме того, пучки, создаваемые С. у., используются для генерации сверхмощных импульсов СВЧ-колебаний в диапазоне от субмиллиметровых до дециметровых волн, для накачки химических лазеров и газовых лазеров высокого давления, в коллективных методах ускорения ионов и т. д.

Лит.: Смирнов В. П., Получение сильноточных пучков электронов, «ПТЭ», 1977, № 2, с. 7; Накопление и коммутация энергии больших плотностей, пер. с англ., М., 1979; Генерация и фокусировка сильноточных релятивистских электронных пучков, М., 1990. А. Н. Лебедев, Б. Н. Яблоков.

   <<      Предметный указатель      >>