СИЛЬНОТОЧНЫЕ УСКОРИТЕЛИ

СИЛЬНОТОЧНЫЕ УСКОРИТЕЛИ

       

устройства для получения мощных потоков заряженных ч-ц, создающих ток I>104А при энергии ч-ц выше 105 эВ. Характерным масштабом тока в теории С. у. принято считать величину I0=m0с3/е=17кА, составленную из мировых констант: скорости света с, заряда электрона е и его массы покоя m0. При токах, существенно превышающих это значение, собств. электромагн. поля электронного пучка определяющим образом влияют на его динамику. Производной масштабной величиной является мощность

W0=m20c5/e2=8,7 ГВт.

С. у. содержит источник импульсного высокого напряжения и вакуумный диод (рис. 1). В большинстве С. у. первичное накопление энергии осуществляется в конденсаторах С при сравнительно низком напряжении (=100 кВ), после чего следует увеличение напряжения на 1—2 порядка по схеме Аркадьева — Маркса (или с помощью импульсного трансформатора) и «обострение» импульса напряжения в одном или неск. каскадах.

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

Эти каскады выполнены обычно в виде отрезков линий передачи, погружённых в диэлектрик для увеличения уд. энергоёмкости. Для этого используются жидкие диэлектрики (трансформаторное масло в случае высокого напряжения, вода — низкого), не «запоминающие» пробоев и имеющие повышенную электрич. прочность при длительности импульса, меньшей =1 мкс. Для малых напряжений и больших токов используются одинарные линии, в обратном случае — двойные (т. н. л и н и и Б л ю м л я й н а), создающие удвоение напряжения на нагрузке, к-рой служит диод. Его катод работает в режиме взрывной электронной эмиссии, когда электрич. поле порядка 105 В/см, усиливаясь на микронеоднородностях катода, вызывает их тепловой взрыв и образование поверхностной плазмы, обладающей практически бесконечной эмиссионной способностью.

Ускорение электронов происходит в диоде под действием высокого напряжения до тех пор, пока диодный промежуток (размером от неск. мм до неск. см) не закоротится распространяющейся с электродов плазмой. Диоды С. у. работают в режиме ограничения тока пространств. зарядом. При относительно небольших напряжениях V в диоде с электродами в виде двух плоских дисков радиуса R, разделённых зазором d (рис. 2), течёт равномерно распределённый электронный ток:

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

W0=7,3•М3/2(МВ)R2/d2(кА). (1)

Если же ток столь велик, что ларморовский радиус электрона (см. ЛАРМОРА ПРЕЦЕССИЯ) в собств. магн. поле, создаваемом пучком, мал по сравнению с зазором d (рис. 2, б), то это поле обусловливает динамику пучка, и ток определяется соотношением:

I=8,5gR/darchg(кA), (2)

где g»2V+1(MB) — полная энергия электронов в ед. энергии покоя m0c2. При этом эффективно эмиттирующие участки расположены по периферии катода, а ток на аноде сфокусирован в центр. пятно малого размера.

В существующих С. у. энергия ч-ц пучка ограничена (10—15 МэВ) трудностями высоковольтной техники. Длительность импульса варьируется в диапазоне от 30 нс до 10 мкс. Нижний предел определяется возможностями формирования мощного импульса ускоряющего напряжения, а верхний — конечным энергозапасом накопит. элемента и заполнением ускоряющего промежутка образующейся на электродах плазмой. Электронный пучок используется либо внутри диода, либо выводится в дрейфовое пространство через окно в аноде из тонкой фольги, прозрачной для электронов. Распространены также коаксиальные диоды с продольным магн. полем, вдоль к-рого распространяется пучок.

Для генерации ионных пучков анод диода делают из диэлектрика соответствующего хим. состава. Эмиссия ионов происходит из плазмы под действием внеш. поля и поля пространств. заряда электронов (см. ИОННАЯ ЭМИССИЯ). Плазма образуется в результате электрич. пробоя анода вдоль его поверхности. Чтобы увеличить долю энергии, передаваемую в ионный пучок, ток электронов через диод должен быть уменьшен при условии сохранения большого отрицат. пространств. заряда.

Рис. 3. Схемы ионных диодов с магн. изоляцией (а) и рефлексных диодов (б): К — катод; А — анод; П — поверхностная плазма; H—поперечное магн. поле; Тр- — траектории электронов; Тр+ —траектории ионов; В — виртуальный катод (плоскость остановки электронов).

Для этого используется либо магн. поле (т. н. диоды с магн. изоляцией, рис. 3, а), либо полупрозрачные для ускоренных электронов аноды (т. н. рефлексные диоды и триоды, рис. 3, б). В последнем случае электроны осциллируют вблизи анода, создавая увеличенный пространств. отрицат. заряд. Эффективность таких источников 50— 60% при импульсном токе ионов I0=1 МА и напряжении =1 MB. С. у. характеризуются большими значениями запасённой энергии (до неск. МДж), мощности (до десятков ТВт) и сопутствующих электромагн. полей пучка в сочетании с высоким (десятки %) коэфф. передачи ему энергии от накопит. элемента. С. у. применяются гл. обр. для нагрева плазмы, создания с помощью полей пучка магнитных ловушек и для сжатия микромишеней в системах управляемого термоядерного синтеза с инерциальным удержанием. 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. Транспортировка пучков С. у. возможна в газе при низком давлении либо в вакууме в продольном магн. поле. Токи больше или порядка 17 кА могут переноситься лишь тонкостенным трубчатым пучком. Для ионов этот предел выше.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.