СИЛЬНОТОЧНЫЕ ПУЧКИ

СИЛЬНОТОЧНЫЕ ПУЧКИ

- пучки заряж. частиц, в к-рых собственныеполя оказывают определяющее воздействие на динамику пучка. Характерныймасштаб тока С. п. равен , где кА (для электронов), m - масса, е - заряд электрона,- растущая ф-ция полной анергии частиц (в единицах тс ²), зависящая от конкретной геометрии пучка. <Существ, превышение тока над I₀ может быть достигнуто лишь прискоростях частиц, близких к с, или при компенсации объёмного зарядапучка 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 приборахсильноточной электроники, для коллективного ускорения частиц (см. Коллективныеметоды, 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 высоковольтныйдиод, работающий в режиме ограничения тока пространственным зарядом. Длительностьимпульса определяется временем перекрытия диодного промежутка прпэлектроднойплазмой. Плотность однородного тока эмиссии в плоском зазоре шириной . даётся законом «трёх вторых», j, где - анодное напряжение (в единицах mc²/е). При повышениианодного напряжения сверх значения ,где R - радиус катода, одномерность нарушается и диод переходитв 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 зарядомэквипотенц. 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 электроновфольговый анод, либо коаксиальный диод помещается в продольное магн. поле. <Электронный парапотенц. поток трубчатой конфигурации движется в коаксиальномдиоде вдоль цилиндрич. эквипотенц. поверхностей и не пересекает зазор врадиальном направлении (т. н. магн. изоляция). Достаточный для изоляциимагн. поток через диод равен Ток, отдаваемый коаксиальным диодом с магн. изоляцией, определяется пропускнойспособностью канала транспортировки, а длительность импульса - временемперекрытия зазора приэлектродной плазмой поперёк изолирующего магн. поля. <Наилучшие результаты по длительности и устойчивости работы диода полученыв неоднородном сходящемся магн. поле.

Распространение С. п. в вакууме возможно в продольном магн. поле, заметнопревышающем , где а - радиус С. п., но даже в бесконечно большом поле ток не можетпревышать величину ,где b - радиус камеры дрейфа. Ограничение обусловлено повышением электростатич. <потенциала в объёме пучка за счёт его пространственного заряда и слабеевсего сказывается в случае трубчатого пучка. Приведённая энергия частицв С. п. составляет при этом лишь .Частичная нейтрализация пространственного заряда увеличивает предельныйток.

Поскольку С. п. в магн. поле вращается как целое, ему свойствен сильныйдиамагнетизм, вплоть до обращения знака (реверса) поля внутри трубчатогопучка (т. н. Е-слой). С учётом диамагнетизма физически заданным параметромследует считать не ведущее магн. поле, а полный магн. поток, замороженныйв камере дрейфа и перераспределяющийся по сечению при инжекции пучка. Длятонкостенного 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 сдлиной волны порядка или меньше радиуса пучка. Поэтому ср. поперечный импульсчастиц в С. п. больше продольного, а поперечное распределение плотноститока имеет выраженный трубчатый характер.

Зарядовая нейтрализация пучка происходит при инжекции в достаточно плотнуюплазму за счёт вытеснения из его объёма медленных плазменных электроновс характерным временем , где - проводимость плазмы. Если к моменту достижения нейтрализации ток С. п. <продолжает нарастать, то эдс индукции создаёт ток оставшихся плазменныхэлектронов, направленный против тока пучка и вызывающий токовую нейтрализацию. <При небольшой плотности плазмы, когда плазменная частота ,обратный ток распределён по всему объёму, так что токовая нейтрализациянеполна и имеет интегральный характер. При происходит локальная нейтрализация, за исключением поверхности С. п., гдеобразуется двойной токовый слой толщиной и сосредоточено магн, поле. В таких условиях частицы С. н. практическисвободны, а сам он электродинамически ненаблюдаем. Эффективность переносапучком 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 изгибаниипучка как целого и разбиения его на отд. нити.

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

С. п. положит. ионов (гл. обр. водорода) снимаются с прианодной плотнойплазмы, имеющей эмиссионную способность до 1 кА/см ², и выводятсяв сторону катода. В режиме ограничения пространственным зарядом диодныйпромежуток в ср. нейтрален, но плотность полного тока превышает закон «трёхвторых» не более чем в два раза из-за локальной раскомпенсации ионногои электронного потоков. Ионы с массой М дают тогда лишь малую долю от полного тока, переносимого в осн. встречными электронами. Для повышенияэффективности служит магн. изоляция электронной компоненты, не влияющаяна распространение ионов. В рефлексных ионных диодах используется прозрачныйдля электронов анод, вблизи к-рого создаётся увеличенная плотность осциллирующихэлектронов. При этом может быть заметно превышен предел «трёх вторых» дляионов. Совр. конструкции диодов позволяют получать С. п. ионов ~МА приэнергии ~1 МэВ и малой угл. расходимости. Распространение С. п. ионов возможно только в условияхзарядовой нейтрализации медленными сопровождающими электронами.

Лит.: Диденко А. Н., Григорьев В. П., Усов Ю. П., Мощные электронныепучки 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. СИЛЬНОТОЧНЫЕУСКОРИТЕЛИ - 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 напряженияи вакуумный диод, на к-рый это напряжение подаётся и в межэлектродном промежуткек-рого происходит ускорение (рис. 1). Большинство С. у. являются ускорителямипрямого действия, в к-рых частицы получают весь прирост энергии за одинпроход через ускоряющий промежуток (вакуумный диод), на электроде к-рогоони и образуются.

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

Принцип действия. На диод подаётся напряжение от генератора мощныхвысоковольтных импульсов. Источником электронов или отрицат. ионов служитплазма, образующаяся за неск. нс на катоде в результате взрывной электроннойэмиссии, когда при достижении ср. напряжённости поля на катоде ~10⁵ В/см происходит тепловой взрыв его микронеоднородностей. В ионных диодахплазма создаётся на аноде и из неё вытягиваются положит. ионы. Для эфф. <работы ионного диода сопутствующий электронный ток на анод искусственноподавляют.

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 относительнонебольших напряжениях V[MB] в диоде с электродами в виде двух плоскихдисков радиуса R (рис. 2, а) течёт равномерно распределённый электронныйток I =. Через время оба слоя плазмы соединяются и диод закорачивается. Время устойчивой работыдиода, пока его сопротивление не сильно отличается от внутр. сопротивлениягенератора импульсов, должно быть в неск. раз меньше t _к и обычноне превосходит 100 нc. Это и определяет верх. границу длительности пучкаС. у., если не приняты спец. меры для уменьшения v. Для эфф. работыС. у. за это же время в пучок должна быть передана существенная доля первоначальнозапасённой энергии.

В случае больших напряжений и отношения R/d, т . е. прибольших токах, когда ларморовский радиус электронов в собств. магн. полепучка становится мал по сравнению с зазором (рис. 2, б), диод переходитв режим сильного пинча. При этом эффективно эмиттируют только участки поверхности, <расположенные на периферии катода, а ток на аноде сфокусирован в центральноепятно малого размера и определяется соотношением:где -полная энергия электронов в единицах энергии покоя m₀ с ².Для формирования выведенного пучка С. у. часто используют цилиндрич.

диоды, помещённые в аксиальное магн. поле (рис. 2, в). При большом электронномтоке где r _а и r _к - радиусы анода и катода, такой диодможет работать и без внеш. магн. поля. Чтобы ларморовский радиус электроновстал меньше межэлектродного расстояния и электроны не достигали анода, <уже достаточно магн. поля тока, текущего по катодному стержню (явлениемагн. самоизоляции). В этом случае анодная плазма образуется позднее, аскорость разлёта катодной плазмы несколько ограничивается магн. полем иработоспособное состояние диода может поддерживаться >10 мкс.

Для генерации ионных пучков анод диода делают из диэлектрика соответствующегохим. состава. В результате пробоя на поверхности анода образуется плазма, <из к-рой под действием внеш. поля и поля пространственного заряда электроновэмиттируются ионы. Для увеличения энергии в ионном пучке ток электронов, <пересекающих диод, должен быть уменьшен, но сохранён большой отрицат. пространственныйзаряд. Для этого используется либо поперечное магн. поле, параллельноеповерхности катода (т. н. ионные диоды с магн. изоляцией, рис. 3, а), либополупрозрачные для ускоренных электронов аноды, покрытые диэлектриком (т. <н. рефлексные диоды и триоды, рис. 3, б). Во втором случае электронымногократно проходят сквозь анод, создавая увеличенный отрицат. пространственныйзаряд, облегчающий вытягивание ионов из плазмы. При прочих равных условияхзначение плотности тока ионов оказывается в раз меньше плотности электронного тока. Эффективность ионных источниковдостигает 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 рефлексныхдиодов (б): К - катод; А - анод; П - поверхностная плазма; Н - поперечноемагнитное 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 увеличениенапряжения 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 работоспособногосостояния диода, то приходится вводить «обостритель» импульсов (усилительмощности) в одном или нескольких каскадах. Эти каскады обычно выполненыв виде отрезков линий передач, погружённых в диэлектрик для увеличенияуд. энергоёмкости. Для этого используют жидкие диэлектрики (трансформаторноеи 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 требуеттщательной очистки и деионизации, чтобы исключить потери энергии за временапорядка 1 -10 мкс. Для малых напряжений и больших токов используются одинарныелинии, в обратном случае - двойные (т. н. линии Блюмляйна), создающие удвоениенапряжения на нагрузке, к-рой служит диод. В С. у. с малой запасаемой энергиейнизкоиндуктивный источник может непосредственно обеспечить на диоде импульснапряжения длительностью 100 нс. Такую же схему имеют С. у. с длительностью пучка 1мкс, но в этом случае схема Аркадьева - Маркса обычно собирается из искусств. <длинных линий. Это позволяет получить на диоде импульсное напряжение, близкоек прямоугольному.

Поскольку ток и мощность С. у. определяются напряжением генератора высоковольтныхимпульсов, имеющим естеств. техн. ограничения, для достижения экстремальныхпараметров используется конструкция из модулей с умеренными параметрамикаждого модуля и сложением выходных токов или напряжений спец. сумматорами. <Так, в исследованиях по инерциальному УТС мощность пучка должна составлятьдесятки ТВт при энергии электронов ~10⁶ эВ или лёгких ионов~10⁷ эВ. Для создания С. у. с такими выходными параметрами пучковразработаны схемы высоковольтных ускорителей с параллельным включениемвыходов 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 соединениеммодулей

Для повышения энергии частиц в С. у. используется последоват. включениемодулей, т. е. доускорение пучка. Практически это делается в линейных индукц. <ускорителях либо в аналогичной по принципу действия последовательностиускоряющих промежутков, питаемых от собств. линий передачи. Непосредств. <суммирование напряжений модулей до 20 MB на одном диоде осуществлено вустановке «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 созданнойустановки «Гермес» и разрабатываемой установки EDNA) с последоват. суммированиемнапряжений отд. модулей.

Табл. 2. -Параметры сильноточных ускорителей со сложением напряжениймодулей

	«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 представляетсобой сложную проблему, связанную с преодолением сил пространственногозаряда и тока (см. Сильноточные пучки). Без компенсации пространственногозаряда 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 расталкиваниеэлектронов сменяется сжатием. Необходимая плотность ионов устанавливаетсятакже при транспортировке электронных пучков в вакуумных каналах, на перифериик-рых имеется или создаётся самим пучком плотная плазма. Транспортировкаионных пучков С. у. не может быть обеспечена внеш. полями и требует компенсациисил 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, созданияс помощью полей пучка магнитных ловушек и для сжатия микромишенейв системах УТС с инерциальным удержанием плазмы. Кроме того, пучки, <создаваемые С. у., используются для генерации сверхмощных импульсов СВЧ-колебанийв диапазоне от субмиллиметровых до дециметровых волн, для накачки химическихлазеров и газовых лазеров высокого давления, в коллективныхметодах 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 релятивистскихэлектронных пучков, М., 1990. А. Н. Лебедев, Б. Н. Яблоков.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.