«СИЛЬНОТОЧНЫЕ РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУЧКИ МИКРОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ И СВЧ-ГЕНЕРАТОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ ...»

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ им. А. М. ПРОХОРОВА

На правах рукописи

УДК 533.922

537.533.2

ЛОЗА Олег Тимофеевич

СИЛЬНОТОЧНЫЕ РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУЧКИ

МИКРОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

И СВЧ-ГЕНЕРАТОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2004

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

§1. Область исследования

§2. Актуальность проблемы

§3. Цели диссертационной работы

§4. Научная новизна

§5. Научная и практическая значимость

§6. Использование результатов работы

§7. Апробация результатов

§8. Публикации

§9. Структура и объем диссертации

§10. Краткое содержание диссертации

Глава 1. Сильноточные РЭП микросекундной длительности.............. 1. Техника эксперимента

§1. "Терек-3": ускоритель РЭП микросекундной длительности..... §2. Магнитное поле.

§3. Измерение полного тока и профиля плотности тока РЭП......... §4. Измерение питч-углов электронных траекторий

2. Плазма взрывоэмиссионного катода и геометрия РЭП................. §1. Движение катодной плазмы вдоль магнитного поля.................. §2. Движение катодной плазмы поперек магнитного поля и ее влияние на радиальный профиль плотности тока РЭП................ §3. Способы стабилизации профиля плотности тока РЭП............... 3. Генерация РЭП со стабильными параметрами в течение микросекундной длительности импульса

§1. Способы воздействия на поперечное движение плазмы.......... §2. Катод с лезвийным острием, перпендикулярным магнитному полю

§3. Особенности функционирования поперечно-лезвийных катодов

§4. Поперечно-лезвийные катоды и профиль магнитного поля.... §5. Максимальная длительность РЭП, формируемого поперечнолезвийным катодом

§6. Питч-углы электронов с поперечно-лезвийного катода........... Заключение

Глава 2. Влияние плазмы на длительность СВЧ-импульсов в устройствах, использующих микросекундные РЭП

Эффект укорочения СВЧ-импульса

1. Коллекторная плазма

2. Плазма на анодной диафрагме

3. Плазма в замедляющей структуре

§1. Экспериментальная регистрация наличия плазмы в карсинотроне

§2. Увеличение питч-углов электронных траекторий при наличии СВЧ-излучения

§3. Влияние различных факторов на появление плазмы................ §4. Расширение РЭП под действием СВЧ-излучения

§5. Отраженные электроны с коллектора

4. Механизм укорочения и способы увеличения длительности СВЧимпульса

§1. Модель укорочения СВЧ-импульса в высокоэффективном генераторе излучения

§2. Компенсация заряда РЭП до начала СВЧ-излучения............... §3. Накопление плазмы в СВЧ-поле и срыв СВЧ-генерации........ §4. Способы увеличения длительности СВЧ-импульса................. Заключение

Глава 3. Плазменный релятивистский генератор СВЧ-импульсов микросекундной длительности

1. Принцип действия и устройство плазменных релятивистских СВЧ-приборов

§1. Элементы теории плазменной СВЧ-электроники

§2. Источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом........... §3. Средства диагностики СВЧ-излучения

§4. Устройство плазменного релятивистского СВЧ-генератора... 2. Мощность и спектры излучения ПРГ

§1. Мощность и эффективность плазменных источников СВЧизлучения

§2. Влияние параметров плазмы на спектр излучения

§3. Тонкая структура спектров излучения ПРГ

3. Ограничение СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧгенераторе

§1. Оценка возможности СВЧ-разряда

§2. Особенности ПРГ с микросекундной длительностью импульса

§3. Излучение плазменного СВЧ-генератора с микросекундным РЭП

§4. Влияние сорта и давления газа на работу ПРГ

§5. О возможных причинах ограничения СВЧ-импульса.............. Заключение

Выводы

Литература

Введение §1. Область исследования сильноточной релятивистской электроники. Релятивистская электроника изучает поведение электронных потоков, движущихся со скоростями u, близкими к скорости света: u c; при этом релятивистский фактор приобрести такую скорость электрон с зарядом e и массой m ускоряется в mc2 511 кэВ, нетрудно видеть, что даже при сравнительно скромном значении ~ 2 релятивистские электроны имеют энергию ~ 0.5 МэВ.

Понятие "сильноточная электроника" означает, что ток электронов настолько велик, что существенную роль играет собственный заряд электронного потока. Действительно, при транспортировке электронного пучка фиксированной геометрии в вакууме любое увеличение тока пучка увеличивает его собственный заряд и потенциал, и, следовательно, уменьшает кинетическую энергию частиц. Поскольку полная энергия электронов ограничена, то всегда существует некий предел, до которого можно увеличивать транспортируемый ток. В частности, для трубчатого ln R ~ 1 и подставить сильноточной электронике используется ток электронов пучка меньше предельного значения, и если этот ток, например, вдвое меньше предельного, то в данном случае он равен ~ 2 кА.

Таким образом, оценки показывают, что если электронный пучок является релятивистским и сильноточным (т.е. с энергией частиц ~ 0.5 МэВ и током ~ 2 кА), то его мощность находится на гигаваттном уровне. В реально существующих экспериментальных установках величины энергий электронов иногда превышают приведенные выше оценки в несколько раз, а ток — на два, и даже на три порядка (PBFA-II [2]: 12 МэВ, 8 МА). Понятно, что экспериментальная установка такой мощности может функционировать только в импульсном режиме.

Длительность импульса тока сильноточного релятивистского электронного пучка (РЭП) ограничивается несколькими причинами.

Чтобы понять, какая из них является определяющей, нужно рассмотреть способы генерации сильноточных РЭП. В дальнейшем мы будем рассматривать только сильноточные электронные потоки, поэтому аббревиатура РЭП будет всегда обозначать именно их.

Сильноточные релятивистские электронные пучки формируются непосредственно в диоде, на который подается импульс напряжения от конденсаторов, соединенных по определенной схеме. Первичный накопитель энергии и диод могут быть соединены непосредственно или через преобразователь (напр., трансформатор Тесла), промежуточный накопитель энергии (напр., индуктивный), формирователь импульса (напр., линию с распределенными параметрами), и т. д. Электроны получают энергию только в диоде, никаких дополнительных средств ускорения частиц (подобных секциям линейных индукционных или резонансных ускорителей) не применяется. Тем не менее, установки для генерации сильноточных РЭП также называют ускорителями, а чтобы избежать терминологической путаницы добавляют — прямого действия.

Запас энергии большинства небольших ускорителей РЭП не превышает нескольких десятков килоджоулей, хотя энергозапас некоторых крупных установок составляет несколько мегаджоулей [3].

Нетрудно видеть, что для РЭП с приведенными выше оценочными параметрами (0.5 МэВ, 2 кА) такой энергии должно хватить даже на миллисекундный импульс. Однако длительности тока РЭП большинства существующих ускорителей намного меньше, и это связано, в том числе, с принципами работы диода, в котором эти пучки формируются.

§2. Актуальность проблемы Современные термоэмиссионные катоды позволяют получать плотность тока эмиссии до нескольких десятков ампер с квадратного сантиметра поверхности. Однако для большинства приложений, использующих РЭП, важна — по разным причинам — не только большая мощность электронного пучка, но и сравнительно небольшие размеры, т. е.

высокая плотность тока электронов, на порядки выше, чем у термокатодов.

Конечно, возможна компрессия (фокусировка) электронного тока с помощью магнитных полей специального профиля, но она сложна, дорог, и не всегда возможна. Кроме этого, сами термоэмиссионные катоды очень дроги и капризны в эксплуатации: даже при небольшом нарушении вакуумных условий, практически неизбежном в условиях эксперимента, эмиссионный слой на них безвозвратно разрушается.

Альтернативой термоэмиссионному катоду является холодный взрывоэмиссионный катод [4]. При возникновении на поверхности проводника, из которого сделан катод, электрического поля со средней напряженностью ~ 105 — 106 В/см начинается интенсивная автоэмиссия электронов. За время ~ 1 нс на эмитирующей электроны поверхности катода появляется плазма, которая в дальнейшем и является эмиттером электронов. Плотность и температура образовавшейся плазмы достаточны для обеспечения эмиссии электронов с очень высокой плотностью тока, чаще всего ток ограничивается импедансом ускорителя и возможностью транспортировки тока, т.е. пространственным зарядом РЭП. С этой точки зрения холодные катоды обладают практически безграничной эмиссионной способностью.

Главный недостаток взрывоэмиссионного катода — это прямое продолжение его достоинств. Катодная плазма разлетается, поэтому за время импульса электронного тока форма и размер плазменного эмиттера, а вместе с ним — и электронного пучка, могут заметно измениться. Как правило, для предотвращения немедленного разрушения электронного пучка сам диод, а также область дальнейшей транспортировки РЭП помещаются в сильное (~ 1 Тл и более) магнитное поле. Но даже в сильном магнитном поле катодная плазма распространяется поперек его силовых линий со скоростью до нескольких миллиметров за микросекунду [5], вызывая синхронное искажение формы электронного пучка. А для многих практических приложений изменение размеров РЭП на несколько миллиметров в течение импульса является просто недопустимым.

Итак, в арсенале сильноточной релятивистской электроники имеются электронные пучки большой (гигаваттной) мощности.

Существующие ускорители обладают достаточным энергозапасом, а плазменные катоды способны обеспечить практически любые плотности электронного тока. Но все эти ресурсы часто невозможно использовать эффективно для генерации РЭП со стабильными параметрами в течение хотя бы микросекундных интервалов времени только лишь потому, что катодная плазма, разлетаясь, существенно изменяет размеры формируемого электронного потока.

Взрывоэмиссионный катод, однако, — не единственный "атрибут" сильноточной релятивистской электроники, где плазменные процессы играют существенную и иногда не очень желанную роль. Одной из наиболее важных сфер применения РЭП является генерация импульсов СВЧ-излучения. Мощности СВЧ-генераторов на основе РЭП обычно имеют уровень ~ 108 Вт, а иногда превышают 1010 Вт [6]. Однако длительность СВЧ-импульсов бывает существенно меньше длительности тока РЭП: через какое-то время после своего начала процесс СВЧизлучения прерывается и не возобновляется до окончания прохождения тока электронов пучка. Во время следующего импульса история повторяется: срыв процесса генерации СВЧ-излучения спустя некоторое время после его начала. Ограничение длительности излучения в сильноточных релятивистских СВЧ-генераторах получила название "укорочение СВЧ-импульса".

Можно догадаться, что причина этому явлению — плазма.

Действительно, характерные длительности процессов СВЧ-излучения и пауз — до окончания прохождения РЭП — это десятки и сотни наносекунд и более. Такие интервалы времени совпадают по порядку величины с длительностью рождения (накопления) и релаксации плазмы.

Электроны, пролетающие через систему за несколько наносекунд, таким фактором быть не могут, и любые механические изменения слишком медленны, к тому же, система восстанавливается к очередному импульсу.

Итак, с одной стороны, плазма — это сильная помеха работе устройств, использующих сильноточные РЭП с длительностью импульса в сотни наносекунд и более. Плазма на катоде препятствует формированию электронного потока с неизменными свойствами в течение микросекундных интервалов времени, и это мешает эффективно использовать энергозапас ускорителей. Плазма ответственна и за эффект укорочения СВЧ-импульса, сокращая и без того недолгий процесс генерации СВЧ-излучения. Но с другой стороны, плазма может транспортировать и использовать токи электронов, существенно превышающие предельный ток в вакууме. Кроме того, наличие плазмы, предоставляет уникальные возможности для генерации СВЧ-излучения [7], управления частотой и шириной спектра излучения.

Где, как и почему появляется плазма в приборах сильноточной релятивистской СВЧ-электроники с микросекундными длительностями импульса, можно ли предотвратить появление плазмы или, хотя бы, нейтрализовать ее негативное влияние, а также можно ли и как использовать плазму во благо — эти вопросы и направляли исследования, описываемые в диссертации.

§3. Цели диссертационной работы следующие цели.

использовать для генерации сильноточных РЭП с микросекундной длительностью импульса и неизменными за все это время параметрами.

значительно эффективнее использовать энергию сильноточных электронных ускорителей в конкретных приложениях.

Во-вторых, понять механизм, препятствующий длительной — микросекундной — генерации импульсов СВЧ-излучения на уровне мощности ~ 108 Вт. Преодоление эффекта укорочения СВЧ-импульса позволило бы многократно увеличить эффективность использования энергии сильноточных РЭП.

§4. Научная новизна Разработаны специальные методы диагностики электронного пучка и создан диод с уникальными свойствами. Впервые доказано, что, используя взрывоэмиссионный катод, можно генерировать сильноточные РЭП со стабильными параметрами — геометрией и питч-углами электронных траекторий — в течение микросекундных интервалов времени.

Впервые проведено комплексное исследование причин укорочения СВЧ-импульса в вакуумном релятивистском СВЧ-генераторе. Показано, что ограничение длительности импульса СВЧ-излучения связано с плазмой, образующейся в различных частях прибора. Найдены пути устранения этой плазмы или ее негативного влияния в большинстве случаев. Выявлен механизм образования паразитной плазмы и укорочения СВЧ-импульса, присущий именно вакуумным релятивистским СВЧприборам.

Впервые создан плазменный релятивистский черенковский мазер с микросекундной длительностью СВЧ-импульсов на уровне мощности 108 Вт. Впервые продемонстрирована генерация СВЧ-излучения с узкой спектральной линией и широкой перестройкой по частоте, причем перестройка прибора осуществляется за несколько десятков микросекунд.

§5. Научная и практическая значимость Созданы ускоритель сильноточного РЭП микросекундной длительности и экспериментальная установка с широким диапазоном изменения параметров и большим набором средств диагностики.

На основе взрывоэмиссионного катода создан диод, способный генерировать сильноточные РЭП микросекундной длительности с параметрами, неизменными в течение всей длительности импульса.

Показана осуществимость стабильной генерации импульсов мощного СВЧ-излучения микросекундной длительности. Создан широкополосный, перестраиваемый по частоте генератор импульсов СВЧизлучения микросекундной длительности на уровне мощности 108 Вт.

§6. Использование результатов работы Результаты проведенных в диссертационной работе исследований исследовании процессов взаимодействия мощного излучения с плазмой.

§7. Апробация результатов Материалы диссертационной работы докладывались на:

• всех международных конференциях по пучкам частиц большой мощности (BEAMS), с 1990 г. по 2000 г. и 2004 г.;

• международных семинарах "Мощное СВЧ-излучение в плазме" в • международных симпозиумах по электромагнитным явлениям в 1994 г. и 2000 г. (EuroEM) и в 2002 г. (AmerEM);

• международном симпозиуме по разрядам и электрической • международной конференции по явлениям в ионизированных • международном семинаре по генерации мощного СВЧ-излучения и укорочению СВЧ-импульса в 1997 г.;

• международной конференции по плазме (ICOPS) в 1999 г.;

• ежегодном заседании американского физического общества в высокому напряжению в 2002 г.

§8. Публикации По материалам диссертации опубликовано 44 работы: 18 статей в научных журналах, в том числе 3 обзора, 2 патента на изобретения, публикаций в трудах международных конференций, симпозиумов и семинаров, 5 публикаций в виде препринтов ФИАН и ИОФАН.

§9. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 323 страницы, включая 138 рисунков, таблицы и список литературы из 229 наименований.

§10. Краткое содержание диссертации.

Название диссертации показывает, что тему работы определили два взаимосвязанных направления исследований: генерация электронных потоков и с их помощью — генерация СВЧ-излучения. Исторически оба эти направления развивались параллельно, хотя задача создания СВЧгенераторов с нужными параметрами во многом определяла проведение работ по исследованию электронных пучков. Именно поэтому при написании диссертации было трудно отделить логический подход от исторического и получить последовательное изложение: от формирования электронного пучка с заданными свойствами к использованию его в СВЧгенераторе. Повторим, что именно параметры необходимого СВЧизлучения изначально определяли требования к электронному потоку, а качество уже полученного электронного пучка позволяло усовершенствовать СВЧ-генератор.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Глава посвящена генерации сильноточных РЭП микросекундной длительности.

В разделе 1 "Техника эксперимента" описан сильноточный электронный ускоритель "Терек-3" [8], на котором проводилась основная часть экспериментов (§1), и некоторые конструктивные особенности [9] экспериментального стенда.

Сильноточные РЭП распространяются в сильном импульсном магнитном поле, создаваемом разрядом конденсаторов через систему соленоидов. В §2 описана компьютерная программа, созданная для их расчета, она учитывает возможности сдвига и поворота соленоидов, а также влияние металлических деталей установки.

§3 посвящен методикам измерения полного тока и его профиля плотности по сечению РЭП. Измерять ток РЭП можно разными способами, в частности, оригинальными малоиндуктивными шунтами [10], изготовленными из проводящей резины. Для измерения распределения плотности тока электронов по сечению пучка был разработан коллекторный приемник со щелевой диафрагмой [11]. Конструкция позволяет в одной серии экспериментов (без вскрытия вакуумной системы) измерить профиль плотности тока РЭП в различные моменты времени на различных продольных и азимутальных координатах. Описана бесконтактная (рентгеновская) методика диагностики внешних слоев РЭП, предназначенная для использования с действующим СВЧ-генератором.

В §4 рассматриваются основные методы измерения поперечных скоростей электронов замагниченных РЭП, их особенности и сферы применения. Описан оригинальный способ измерения питч-углов, обладающий высокой разрешающей способностью и разработанный специально для диагностики РЭП с большой — микросекундной — длительностью импульса.

В разделе 2 "Плазма взрывоэмиссионного катода и геометрия РЭП" рассматриваются процессы образования плазмы на катоде, механизмы и модели ее движения, а также методы экспериментальной диагностики и стабилизации параметров сильноточных РЭП микросекундной исследований движения катодной плазмы вдоль магнитного поля и некоторые аспекты работы магнитоизолированного диода. §2 посвящен поперечному относительно магнитного поля движению катодной плазмы, непосредственно влияет на работу СВЧ-генератора. В §3 описаны многочисленные известные экспериментальные подходы к стабилизации профиля плотности тока РЭП. Количество их исчисляется, по меньшей мере, десятками, пути решения и результаты — самые разные, но даже соответствуют.

Раздел 3 "Генерация РЭП со стабильными параметрами в течение предложенному автором новому способу генерации РЭП со стабильными параметрами в течение микросекундной длительности импульса.

рассматриваются в §1 с точки зрения их соответствия модели движения плазмы, и оценивается их эффективность. Подчеркнуто, в частности, что усиление электростатического поля на остриях катода увеличивает число плазменных факелов и ускоряет формирование единого плазменного слоя.

В §2 описывается конструкция предложенного автором нового типа взрывоэмиссионных катодов — поперечно-лезвийных, т. е. катодов, лезвийное острие которых направлено по радиусу, перпендикулярно магнитному полю. Приводятся результаты измерений плотности тока электронов по сечению пучка для различных видов поперечно-лезвийных катодов: кольцевого с различными типами подвеса и дискового. Показано, что дисковый поперечно-лезвийный катод позволяет генерировать трубчатые РЭП с неизменными радиусом и толщиной в течение микросекундных интервалов времени.

В §3 рассматривается механизм функционирования поперечнолезвийных катодов. Очень сильное электростатическое поле на лезвии катода сокращает продолжительность формирования на нем слоя плазмы и сдерживает ее разлет, а неоднородность поля по радиусу стабилизирует центробежную неустойчивость.

В §4 показано, что профиль магнитных силовых линий в диоде влияет на эволюцию плотности тока РЭП во времени, и даны рекомендации для формирования стабильного пучка.

Ограничения на применение поперечно-лезвийных катодов описаны в §5. Они связаны с появлением плазмы на катододержателе и на практике сводятся к правилу: чем больше диаметр трубчатого пучка, тем дольше можно поддерживать неизменный профиль плотности тока.

В заключительном §6 приводятся результаты измерений питч-углов электронных траекторий. Показано, что по всему сечению электронного потока, плотность тока в котором меняется на порядок, питч-углы примерно равны и не превышают 5° в течение всего импульса.

В заключении к Главе 1 сформулированы основные принципы построения диода с использованием взрывоэмиссионного катода, которые являются основой двух зарегистрированных изобретений. Применение указанных принципов позволяет генерировать сильноточный трубчатый РЭП, в котором распределение плотности тока по радиусу и параметры электронных траекторий остаются неизменными в течение микросекунды.

Одной из областей применения сильноточных РЭП является релятивистская СВЧ-электроника, а одной из ее основных задач является преобразование энергии электронов в энергию СВЧ-излучения с наибольшей эффективностью. Однако повышение мощности излучения далеко не всегда увеличивает энергию СВЧ-импульса: этому мешает "эффект укорочения СВЧ-импульса". Причиной преждевременного прекращения СВЧ-излучения в генераторе является плазма, рождающаяся в разных частях прибора. Этой проблеме посвящена Глава 2.

Работа проводилась с СВЧ-генератором одного типа — карсинотроном, но полученные результаты в большинстве своем относятся к СВЧгенераторам всех типов.

В начале Главы 2 кратко описан эффект укорочения СВЧ-импульса и его проявления в экспериментах. Показана типичная схема устройства релятивистского СВЧ-генератора, который условно разделен на несколько основных узлов: диод, входная диафрагма, замедляющая структура, коллекторный узел. Во всех этих частях прибора может рождаться плазма, которая приводит к укорочению СВЧ-импульса. Механизм появления плазмы в каждом из узлов СВЧ-генератора и способы борьбы с укорочением СВЧ-импульса рассматриваются в соответствующих разделах Главы 2.

На коллекторе плазма появляется под действием бомбардировки электронами РЭП. Созданный автором коллекторный узел позволяет полностью вывести коллекторную плазму за пределы СВЧ-волновода.

Этот коллекторный узел и другие аспекты проблемы коллекторной плазмы обсуждаются в Разделе 1.

Анодная диафрагма применяется в релятивистских СВЧгенераторах, чтобы предотвратить попадание периферийных слоев расширяющегося со временем электронного пучка на стенки замедляющей структуры. Плазма на анодной диафрагме, описанная в Разделе 2, так же как и коллекторная, появляется под действием бомбардировки электронами РЭП. Однако применение поперечно-лезвийных катодов, стабилизирующих геометрию РЭП, позволяет полностью решить и проблему коллекторной плазмы.

Наиболее серьезную проблему представляет собой появление плазмы в замедляющей структуре СВЧ-генератора. Ее наблюдению, экспериментальному изучению причин ее появления и попыткам ее устранения посвящен Раздел 3. В §1 описаны некоторые, в основном оптические методы регистрации плазмы в замедляющей структуре, измерения ее параметров и изменения во времени, в том числе, и проведенные автором.

Исследования, проведенные автором и описанные в §2, показали, что под влиянием СВЧ-излучения увеличиваются питч-углы электронных траекторий. Это происходит как непосредственно во время СВЧизлучения, так и через некоторое время после его окончания, под действием рожденной СВЧ-импульсом плазмы.

Различные факторы как возможные причины появления плазмы оцениваются в §3. Показано, что в остаточном газе внутри замедляющей структуры плазма родиться не успевает, зато появление ее на стенках возможно вследствие бомбардировки стенок релятивистскими электронами или СВЧ-разряда, а также комбинации этих факторов.

В §4 описаны проведенные автором эксперименты, показывающие, что во время процесса СВЧ-излучения поперечный размер РЭП увеличивается. Внешние слои электронов попадают на стенки, появляется плазма, и СВЧ-импульс прекращается. Увеличение потока электронов на стенку приводит к уменьшению длительности СВЧ-импульса.

В §5 Раздела 3 описаны эксперименты, которые показали, что бомбардировка стенок может осуществляться не только электронами РЭП, но и отраженными с коллектора. Интенсивность потока таких электронов достаточно велика для срыва СВЧ-излучения. Разработанная автором дрейфовая ловушка позволяет полностью предотвратить проникновение отраженных с коллектора релятивистских электронов обратно в СВЧгенератор и диод.

В заключительном Разделе 4 рассмотрены механизм укорочения и способы увеличения длительности СВЧ-импульса; этот механизм связан с плазмой, образующейся непосредственно в замедляющей структуре.

В §1 рассмотрена известная модель укорочения импульса излучения в высокоэффективном СВЧ-генераторе, где первой фазой является вторичноэмиссионный СВЧ-разряд на стенке. Показано, что в условиях наших экспериментов эта модель неприменима, т. к. при сравнительно низкой мощности излучения большая напряженность поля собственного заряда РЭП препятствует выходу электронов с поверхности в вакуум.

В §2 показано, что если поверхность замедляющей структуры бомбардируется релятивистскими электронами с плотностью энергии всего ~ 10-3 Дж/см2, то это приводит к зарядовой компенсации РЭП и созданию пристеночного слоя электронов и молекул газа. СВЧ-поле в этом процессе может не участвовать, а релятивистские электроны могут быть результатом отражения РЭП от коллектора.

С появлением СВЧ-поля, как показано в §3, происходит очень быстрое, за время ~ 10 нс, накопление плазмы в количестве, достаточном для срыва СВЧ-колебаний. СВЧ-поле и само может быть причиной разрушения РЭП и осаждения электронов на стенки со всеми описанными последствиями вплоть до срыва излучения. Таким образом, даже если вторичноэмиссионный СВЧ-разряд на стенке изначально подавляется электростатическим полем РЭП, и полностью устранены все указанные выше причины срыва СВЧ-излучения, в т. ч. и отраженные с коллектора релятивистские электроны (напр., с помощью дрейфовой ловушки), укорочение СВЧ-импульса существует, и его механизм сводится к следующему. СВЧ-излучение разрушает РЭП, вызывая уход некоторой части электронов на стенку замедляющей структуры. Бомбардировка стенки приводит к десорбции с нее газа и его начальной ионизации. Этот газ ионизируется дальше в полях РЭП и волны, накапливается плазма, которая и прекращает СВЧ-импульс.

Возможные способы увеличения длительности СВЧ-импульса, которые применяются в существующих приборах, рассмотрены в §4 с точки зрения описанной модели. Уменьшить десорбцию газа помогает соответствующая обработка стенок, а замедлить накопление плазмы — снижение напряженности электрического поля волны на стенке. Для генерации СВЧ-излучения поле и РЭП обязаны взаимодействовать, поэтому частичного разрушения РЭП в сильном СВЧ-поле предотвратить практически невозможно. Предотвратить бомбардировку стенок может существенное увеличение расстояния между РЭП и поверхностью, но в рамках вакуумной электроники это невозможно: электростатическое поле РЭП, определяющее потенциал пучка, этого не допустит. Единственной возможностью удаления РЭП от стенки на достаточное расстояние является использование плазмы в качестве компенсатора его электростатического поля.

В заключении к Главе 2 сформулированы принципы устранения причин срыва генерации СВЧ-излучения в вакуумном устройстве на основе сильноточного РЭП. Констатировано, что полное устранение эффекта укорочения СВЧ-импульса в рамках вакуумной СВЧ-электроники больших мощностей невозможно из-за малого расстояния между РЭП и поверхностью волновода.

В плазменных релятивистских СВЧ-генераторах, которым посвящена Глава 3, заряд РЭП не мешает "отодвинуть" электронный пучок далеко от стенки.

Принцип действия и устройство плазменных СВЧ-генераторов рассмотрены в 1 разделе 3 Главы. Главной отличительной чертой плазменных СВЧ-генераторов от вакуумных приборов с практической точки зрения является их широкополосность: частота излучения может перестраиваться на порядок только за счет изменения концентрации плазмы.

В §1 приводятся некоторые элементы теории плазменной СВЧэлектроники, необходимые для дальнейшего рассмотрения. Показаны типичная схема плазменного релятивистского источника СВЧ-излучения и основные соотношения между параметрами.

В §2 рассмотрены устройство и работа источника плазмы.

Предложенная автором система позволяет электронным образом регулировать радиус трубчатой плазмы, не меняя катод плазменного источника и не влияя на РЭП. От расстояния между РЭП и плазмой сильно зависит работа СВЧ-генератора, поэтому наличие такой регулировки весьма существенно при проведении научных исследований.

Средства диагностики СВЧ-излучения описаны в §3. Поскольку излучение плазменного СВЧ-генератора принципиально широкополосное, то и методы диагностики несколько отличаются от тех, которые используются с вакуумными СВЧ-приборами.

В §4 рассмотрено устройство плазменного релятивистского СВЧгенератора, назначение и особенности его основных элементов и узлов.

Раздел 2 посвящен экспериментальным исследованиям плазменного релятивистского СВЧ-генератора. В проведенных автором экспериментах, описанных в §1, была достигнута мощность СВЧ-излучения 0.5 ГВт.

В §2 результаты экспериментального измерения спектров излучения сравниваются с расчетными величинами. Приведены результаты экспериментов по моделированию частотно-периодического режима работы СВЧ-источника, когда частота излучения может быть изменена по любому, наперед заданному закону.

Изменение спектров излучения со временем в течение длительности импульса рассмотрено в §3, где результаты проведенных автором экспериментов сравниваются с результатами расчетов. Экспериментально показано, что при стабильном потенциале взрывоэмиссионного катода и сравнительно низкой концентрации плазмы возможна генерация узкой спектральной линии с электронной перестройкой частоты излучения в полтора раза и длительностью импульса ~ 200 нс. При сравнительно высокой концентрации плазмы возможна генерация импульсов излучения только с широким спектром. Описаны причины этого явления.

Так же как и в вакуумных источниках СВЧ-излучения, в плазменных СВЧ-генераторах наблюдается ограничение длительности СВЧ-импульса, этой проблеме посвящен 3 раздел 3 Главы. В §1 предлагается простой численный параметр для сравнения разных СВЧ-приборов по устойчивости к эффекту укорочения СВЧ-импульса. Предлагаемый параметр уменьшения длительности (букв. — терминатор) СВЧ-импульса равен квадрату напряженности электрического поля СВЧ-волны на стенке в точке ее максимального значения Em, отнесенного к единице выходной мощности: Em / P. Сопоставлены длительности импульсов известных вакуумных СВЧ-генераторов и оценочные значения их терминаторов.

В §2 описаны особенности устройства плазменного релятивистского СВЧ-генератора с микросекундной длительностью импульса. Величина терминатора для этих приборов не превышает аналогичной величины для мощных вакуумных СВЧ-источников.

Экспериментально измеренные параметры излучения — мощность, длительность импульса, спектр — плазменных СВЧ-генераторов с микросекундным РЭП рассматриваются в §3, энергия СВЧ-импульсов сопоставляется в величинами соответствующих терминаторов.

Влияние сорта и давления газа, используемого для создания плазмы, на параметры СВЧ-излучения изучается в §4. Оказывается, что параметры газа существенны для диапазона перестройки частоты излучения, но при прочих равных условиях слабо влияют на энергию СВЧ-импульса.

длительности СВЧ-импульса. Численное моделирование показывает увеличение энергии электронов плазмы до ~ 100 кэВ, а при низкой концентрации плазмы — и укорочение СВЧ-импульса. В эксперименте зарегистрировано двукратное увеличение поперечных размеров плазмы.

В Заключении к Главе 3 сформулированы основные результаты работ с плазменным релятивистским СВЧ-генератором. Впервые показано, что при стабильном потенциале взрывоэмиссионного катода возможна генерация узкой спектральной линии с электронной перестройкой частоты излучения в полтора раза и длительностью импульса ~ 200 нс.

Глава 1. Сильноточные РЭП микросекундной длительности Во введении подчеркивалось, что настоящая диссертация — результат экспериментальной работы, поэтому первый раздел первой транспортировки электронного пучка, а также технике экспериментов с сильноточными РЭП микросекундной длительности. Особое внимание уделялось диагностике электронного пучка, методам измерения его формы и параметров электронных траекторий.

микросекундного РЭП со стабильными параметрами с использованием взрывоэмиссионного катода. Во втором разделе главы описаны различные, более или менее удачные попытки управления катодной плазмой с целью исследователями на протяжении нескольких десятилетий, с момента появления сильноточных РЭП.

формирования сильноточного пучка. Созданный нами новый тип взрывоэмиссионного катода позволяет генерировать электронный поток, параметры которого — форма и питч-углы электронов — сохраняются в течение микросекундных интервалов времени.

1. Техника эксперимента В этом разделе приведено описание экспериментальной установки, проводилась на сильноточном ускорителе электронов “Терек-3”, построенном нами в 1986 году под руководством и при материальной поддержке Б. М. Ковальчука и его сотрудников [12]. §1 посвящен особенностям устройства этого ускорителя и конструкции диодного узла.

транспортировки электронных пучков на расстояния порядка метра, поэтому сильноточные РЭП формируются и распространяются в сильных магнитных полях с индукцией 1 — 2 Тл и более. Методы численного расчета и измерения магнитного поля представлены в §2.

Средства диагностики полного тока электронов и плотности тока по сечению РЭП описаны в §3.

В магнитном поле электрон движется по спиралевидной траектории, при этом скорость электрона направлена под некоторым углом к магнитному полю, который получил название питч-угла. Этот угол определяется соотношением продольной, т. е. вдоль магнитного поля, составляющей скорости электрона vl и его поперечной скорости vt:

tg =. §4 посвящен различным методикам измерений питч-углов разработанному нами для сильноточных пучков микросекундной длительности.

§1. "Терек-3": ускоритель РЭП микросекундной длительности.

4 - обостряющий разрядник; 5 – катододержатель; 6 – изолятор;

7 - катод; 8 – соленоиды; 9 – срезающий разрядник.

Основные части ускорителя схематично показаны на Рис. 1. В корпусе 1 находится генератор импульсного напряжения 2 (ГИН), собранный по схеме Аркадьева-Маркса из 13 каскадов. ГИН установлен на опорном изоляторе 3 в атмосфере азота под давлением 3 ата. Напряжение с последнего каскада ГИНа подается на катод 7 через обостряющий разрядник 4 и катододержатель 5. Керамический изолятор 6 отделяет газонаполненный объем ГИНа от вакуумного диода.

Конденсаторы типа ИК-100-0,4 надежно работали при заряде не более чем до 65 кВ. Поэтому, максимально возможное напряжение равно 65 кВ 13 каскадов 850 кВ. В действительности напряжение на катоде ускорителя могло изменяться от 250 до 750 кВ, ток электронного пучка — до 5 кА, длительность импульсов напряжения и тока регулировалась срезающим разрядником 9 в пределах 0.15 1 мкс. Полный энергозапас ГИНа сравнительно невелик: (1/2 0.4 мкФ (65 кВ)2 13 каскадов 11 кДж.

Схема одного каскада ГИНа показана на Рис. 2. Заряд конденсатора C = 0.4 мкФ осуществляется через резисторы r =10 кОм, разряд — через Рис. 2. Каскад генератора импульсного напряжения. С - накопительный C1, C2 - паразитные емкости.

коммутирующий разрядник и демпфирующий резистор R. Резистор применяется для того, чтобы не допускать перезарядки конденсаторов С, поэтому его величина выбирается из R > 2, где L — паразитная индуктивность цепи разряда. Величины C1 и C2 равны, соответственно, паразитной емкости между каскадами и на корпус.

индуктивности конденсатора С типа ИК-100-0,4, равной 0.15 мкГн, и индуктивности демпфирующего резистора R. Первоначально в качестве такого резистора использовались резисторы [12], широко применявшиеся в ГИНах такого типа: бифилярно намотанная нихромовая проволока.

Измеренная нами индуктивность такого резистора была равна 0.75 мкГн.

Компьютерное моделирование работы ГИНа, проведенное в [8], показало, что напряжение на катоде ускорителя может быть увеличено на 30% за счет значительного снижения индуктивности резистора R.

Нами было предложено изготавливать “объемные” резисторы:

цилиндры длиной 25 см и диаметром 3 см, спеченные из специального компаунда. Величина индуктивности этих резисторов не превышала 0.03 мкГн, индуктивность других элементов каскада также была значительно меньше индуктивности конденсатора ИК-100-0,4. Испытания ускорителя показали, что после замены резисторов напряжение на катоде увеличилось от 450 кВ до 680 кВ при одинаковом заряде конденсаторов, что соответствовало расчетам.

Конструкция диода могла быть различной в зависимости от режима работы: диод с двойным катодом или коаксиальный диод с магнитной Рис. 3. Диод с двойным катодом. 1 – рабочий катод; 2 - балластный катод;

3 – анодная диафрагма.

изоляцией. В обоих случаях геометрия диода аксиально-симметрична, и имеется сильное продольное магнитное поле B.

Геометрия диода с двойным катодом представлена на Рис. 3.

Основная часть тока эмитируется балластным катодом 2 и осаждается на анодной диафрагме 3. Рабочий катод 1 эмитирует трубчатый РЭП, который проходит через отверстие в диафрагме. Взаимное расположение катодов определяет ток с рабочего катода [13]. Специальный механизм [9] позволял перемещать оба катода с достаточной точностью и без нарушения вакуумных условий, т.е. в течение одной серии импульсов ускорителя можно было получить зависимость от тока РЭП.

конденсаторов ускорителя (0.4 мкФ 65 кВ / 13 каскадов = 210-3 К = 5 кА 400 нс) не позволяли получать микросекундные импульсы тока, поэтому двойной катод применялся только при генерации коротких, 150 нс импульсов тока. Однако удобство и быстрота изменения тока позволяли использовать такой режим работы, например, для выбора рабочего тока СВЧ-генератора. Для генерации РЭП микросекундной длительности Рис. 4. Коаксиальный диод с магнитной изоляцией. 1 – перемещаемый магнитного поля.

применялся коаксиальный диод с магнитной изоляцией (КДМИ) [14].

Геометрия КДМИ представлена на Рис. 4. Электронный пучок формируется на катоде 2, закрепленном на катододержателе. Отражатель сферической формы удален от анода так, что напряженность электрического поля на его поверхности не превышает 90 кВ/см.

Квазистационарное магнитное поле создается соленоидами 3, при этом силовая линия поля с внешнего радиуса катода имеет вид, показанный кривой 4.

Профиль магнитных силовых линий и положение отражателя определяют так называемый обратный ток диода [15]. Оптимальным является такой профиль силовых линий, когда линия, выходящая с поверхности катода, касается поверхности отражателя [16]. Это позволяет, с одной стороны, избежать эмиссии электронов с отражателя и образования дополнительного (внешнего) пучка в дрейфовом пространстве, а с другой — существенно уменьшить обратный ток и падение напряжения на катоде. Именно такой режим подбирался плавной регулировкой положения отражателя благодаря механизму перемещения, подобному [9].

§2. Магнитное поле.

Традиционным способом создания магнитного поля в установках для транспортировки сильноточных РЭП является разряд батареи конденсаторов на систему соленоидов. При этом типичная длительность импульса магнитного поля в установке с одиночным (не импульснопериодическим) режимом работы ускорителя имеет порядок 10 мс. Такое поле является стационарным для РЭП, имеющего на несколько порядков меньшую длительность. Однако импульсный характер поля сказывается при учете фланцев, труб и других металлических деталей, имеющихся в любой экспериментальной установке.

Типичные осциллограммы тока в соленоиде, создающем магнитное поле, и магнитного поля на оси металлической трубы показаны на Рис. 5.

Очевидно, что в системе без металлических элементов осциллограмма поля совпала бы с осциллограммой тока. Наличие металла существенным образом искажает профиль магнитных силовых линий и требует специальных усилий при создании экспериментальных установок.

Рис. 5. 1 – ток в соленоиде; 2 - магнитное поле на оси в центре металлического фланца.

Как и большинству экспериментальных групп, для расчета магнитного поля нам пришлось создавать программу для ЭВМ.

Оптимизация параметров магнитной системы требует перебора большого количества вариантов, поэтому предпочтительным является использование персонального компьютера, а не "большой" ЭВМ, которая использовалась нами ранее [17] для решения аналогичной задачи. Программа создавалась в 1980-х годах и была ориентирована на ПК "Правец-16" с весьма ограниченными возможностями, поэтому особое внимание при выборе численных методов уделялось их быстродействию.

Написанная программа позволяла рассчитать магнитное поле в системе, состоящей из последовательно соединенных катушек и батареи конденсаторов, а также учесть влияние металлических деталей (фланцев, труб, и др.), искажающих профиль импульсного магнитного поля. Каждая катушка или металлический фланец считались аксиально-симметричными и имеющими в сечении прямоугольник. Вся система не обязательно должна была обладать осевой симметрией, но оси всех элементов предполагались лежащими в одной плоскости. Учитывались параметры катушек (положение, размеры, число витков, сечение провода) и фланцев (положение, размеры, проводимость материала).

В работе [18] аналогичная задача решалась для коаксиальносимметричного случая, суть метода состоит в следующем. Проводящие тела и токовые обмотки разбиваются на элементы, в сечении которых плотность тока не должна существенно меняться. Затем получается система линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, имеющая вид:

где А — матрица эффективных индуктивностей, [I] — столбец токов в элементах разбиения и зарядов в конденсаторах, B — матрица, содержащая сопротивления элементов и емкости конденсаторов.

Аналитически определялась матрица B-1, и находились собственные числа и собственные вектора матрицы B-1A. После этого система уравнений распадалась на независимые уравнения, которые легко решались.

Найденные значения токов I определяют значения магнитного поля в любой точке в любой момент времени.

Понятно, что основное время расчета тратилось на нахождение собственных чисел матрицы, имеющей порядок n+2, где n — число элементов разбиения. В реальной системе это число (т.е. витки в катушках плюс "витки" во фланцах с толщиной в десятые доли толщины скин-слоя) имеет порядок n ~ 103. Учитывая мощность ПК того времени, нам пришлось пойти на ряд компромиссов, позволяющих существенно ускорить расчеты при определенных ограничениях. Во-первых, влияние фланцев при расчете тока в катушках не учитывалось: считалось, что оно мал. Это позволяло достаточно быстро вычислять ток в катушках*. Вовторых, считалось, что фланцы находятся достаточно далеко друг от друга и не оказывают взаимного влияния. Это ограничение позволило бы сразу "развалить" матрицу с n ~ 103 (и числом элементов ~ 10 6) на несколько независимых матриц на порядок меньшего размера, т.е. с числом элементов ~ 104. Оказалось, что такие ограничения большей частью оправданы при реальных параметрах экспериментальной установки, однако они существенно — на порядки — сокращают время расчетов.

Алгоритм вычислений был похож на описанный в [18] с учетом указанных выше двух ограничений. Вначале рассчитывалась индуктивность системы катушек (коаксиальных, параксиальных или расположенных под углом) с помощью метода эффективных контуров и рекомендаций [19]. Полная индуктивность системы катушек и ее активное сопротивление определяли форму импульса тока и толщину скин-слоя во прямоугольного сечения (с толщиной не более 1/3 толщины скин-слоя), рассчитывались собственные и взаимные индуктивности колец и катушек, после чего для каждого фланца в отдельности решалась задача типа ф. (1.1.2.1).

Кроме вычислений силовых линий магнитного поля программа позволяла проследить за движением отдельной частицы. Траектория электрона определялась из решения уравнений движения методом Адамса 4-го порядка (типа predict-correct). Выбор метода был обусловлен опятьтаки значительно большей скоростью вычислений по сравнению с обычно Описанная выше матрица B-1A без такого допущения получила бы порядок n.

применяемым методом Рунге-Кутта 4-го порядка, который здесь использовался только для входа в цикл.

Отдельный блок программы позволял в стационарном, аксиальносимметричном случае учесть собственный заряд РЭП кольцеобразного сечения. С его помощью рассчитывалось движение электронов в неоднородном магнитном поле от катода до коллектора и ток пучка в металлической камере с произвольной формы стенки. Для решения электростатической задачи здесь применялся метод [20]: поочередная прогонка по обеим координатам. В отличие от популярного метода верхней релаксации с числом итераций ~ O(1/h), где h — шаг пространственной сетки, при этом (более громоздком по написанию) методе достаточно делать всего ~ O(ln(1/h)) итераций [21], что намного сокращает время расчета. Однако с появлением в арсенале такого мощного инструмента для расчета электродинамических задач, как "Карат" [22], нужда в этом блоке отпала.

Описанные выше методы позволяли рассчитать вариант реальной экспериментальной установки за разумное время. Так, система из соленоидов и 5 фланцев общей длиной ~ 1 м рассчитывалась на ПЭВМ "Правец-16" (с тактовой частотой 5 МГц) примерно за 3060 мин. С соответственно ускоряется.

Проверка соответствия расчетов параметрам установки проводилась по отпечаткам электронного пучка на мишенях и с помощью измерений индукции магнитного поля. На Рис. 6 показан отпечаток на мишени: след трубчатого РЭП с кольцевым сечением после поворота на 90° в СВЧгенераторе с удаленным коллектором, описанным в разделе 1 Главы 2.

Линией показан расчетный контур для тонкого трубчатого РЭП того же диаметра.

Рис. 6. Белая полоса — след трубчатого РЭП на круглой мишени с крепежным отверстием в центре; черная тонкая линия — расчетный контур.

Рис. 7. Распределение индукции B магнитного поля на оси Z:

результаты расчета и измерений.

Измерения индукции импульсного магнитного поля проводились с помощью зонда (катушки без интегратора), сигнал с которого подавался на АЦП. Сигналы с зонда, помещенного в разных точках, обрабатывались ЭВМ по программе, позволяющей получить пространственное распределение индукции магнитного поля в конкретный момент времени.

На Рис. 7 показано распределение индукции B магнитного поля на оси плазменного СВЧ-генератора, который описан в Главе 3. Видно, что результаты расчета и измерений находятся в хорошем согласии.

§3. Измерение полного тока и профиля плотности тока РЭП В отличие от многих экспериментальных групп мы практически не применяли для измерений полного тока РЭП пояс Роговского [23], отдавая предпочтение шунтам обратного тока. Были испробованы шунты различных конструкций, небольшое исследование на эту тему было описано в [10].

ускорителе "Терек-1Р" с длительностью импульса 100 нс был признан шунт из проводящей резины. Вначале это было простое кольцо из резины стабилизации сопротивления со временем (оно иногда менялось в течение нескольких дней) появилась обойма из стеклотекстолита, и шунт приобрел внешний вид, показанный на Рис. 9. Нетрудно видеть, что размер скинслоя ( 1 см для удельного сопротивления 10 Омсм и частоты сигнала ~ 300 МГц) превышает радиальный размер шунта. Для нержавеющей стали, которая часто используется для изготовления шунтов, ~ 50 мкм.

Поэтому изготовление резинового шунта не более трудоемко, нежели проволочного или фольгового, показанных на Рис. 8 а и б.

Рис. 8. Конструкции шунтов по [10]: а – из проволоки; б – из фольги; в – из проводящей резины.

Самый широко распространенный метод визуализации профиля плотности тока РЭП — это автограф на мишени [24]. Как и большинство исследователей РЭП, мы широко применяли этот метод, используя в качестве мишени пластины из окрашенной нержавеющей стали, см. Рис. 6, а при малых плотностях тока – астралон. Ниже на Рис. 66 (Глава 2, стр. 141) показана траектория РЭП: след, оставленный на астралоне в области поворота трубчатого пучка на удаленный коллектор.

Метод автографов дает качественную оценку плотности тока РЭП интегрально по времени, он не позволяет измерить ее достаточно точно и Рис. 9. Шунт обратного тока из проводящей резины с = 10 Омсм, полное сопротивление 0.2 Ом.

проследить за ее изменениями в течение импульса. Существует основных способа, позволяющих это сделать: коллекторный и рентгеновский. В первом случае электроны оседают на коллекторах, расположенных в интересующих точках траектории пучка, сигнал с коллекторов регистрируется [25]. Во втором случае электронная бомбардировка твердой мишени вызывает рентгеновское излучение, которое в дальнейшем регистрируется, например, камерой-обскурой и рентгеновскими ЭОП или набором PIN-диодов [26]. Оба метода — коллекторный и рентгеновский — нашли применение в наших работах.

В работе [17] с целью уменьшения электронной нагрузки на коллектор мы использовали слабо расходящееся магнитное поле. Силовые линии, расположенные на расстоянии 1 мм по радиусу, должны были упираться в боковую стенку камеры на расстоянии ~ 20 см друг от друга.

Плотность тока осаждения электронов измерялась с помощью коллекторов, расположенных равномерно на длине 40 см.

Рис. 10 иллюстрирует 5 случаев осаждения РЭП на стенку, отличающихся соотношением плотностей тока на различных участках.

Каждая из 5 представленных гистограмм (результат работы самописца) состоит из 18 отрезков, высота которых пропорциональна заряду электронов, осажденных на данном участке за все время импульса.

Сравнение гистограмм показывает, в частности, что выбранный способ развала РЭП не позволяет добиться равномерного осаждения электронов Рис. 10. Плотность тока электронов, осажденных на стенку камеры длиной 40 см: 5 случаев. По горизонтали 1 клетка 4 см.

вдоль стенки: плотность тока в начале или в конце области осаждения пучка всегда существенно превышает плотность тока в его середине.

Для измерения плотности тока в работе [27] использовались датчик с системой микроколлекторов [25] и полупроводниковые детекторы рентгеновского излучения. "Детектор устанавливался в свинцовом коллиматоре, перемещаемой вдоль образующей … части трубы дрейфа, которая являлась … коллектором электронного пучка. Геометрия … магнитных силовых линий в области коллектора оптимизировалась с целью увеличения площади поверхности, на которую высаживается пучок.

Для определения плотности тока показания детектора пересчитывались в область однородного магнитного поля. При этом предполагалось, что электроны движутся вдоль магнитных силовых линий".

В исследованиях процессов разрушения РЭП под действием мощного СВЧ-излучения [28] использовалась рентгеновская методика, схема измерений показана на Рис. 11. Электроны релятивистского пучка Рис. 11. Рентгеновская диагностика [28] развала РЭП 1 в замедляющей структуре 2: 3 — свинцовый коллиматор, 4 — сцинтиллятор, 5 — оптический фильтр, 6 — скоростной оптический ФЭУ в передвижном свинцовом корпусе.

могли оседать на стенки камеры на длине порядка 1 м. Снизу располагался регистратор, состоящий из свинцового коллиматора с апертурой 5 см, сцинтиллятора и чувствительного оптического ФЭУ с разрешением 3 нс.

Регистратор был откалиброван и мог передвигаться вдоль оси установки.

Более распространенными, однако, являются варианты регистраторов, когда плотность тока электронов измеряется в одном поперечном сечении РЭП. Это позволяет измерять не только геометрическое, но и энергетическое распределение электронов в пучке [30]. На Рис. 12 иллюстрируется способ [29] измерения профиля плотности тока трубчатого РЭП с помощью регистрации рентгеновского излучения мишени.

Рис. 12. Слева Обскурограмма РЭП [29], осажденного на коллектор.

Справа — результат расчета.

Коллекторы измерителей плотности тока электронного пучка могут иметь различную форму: дуги определенного радиуса [31], несколько отверстий в мишени, распределенных по определенному закону и с расположенными за ней коллекторами [32, 33], Рис. 14, и др.

Рис. 14. Схема расположения отверстий в графитовой диафрагме секционированного коллектора [32, 33]. Линия раздела X = соответствует внутреннему радиусу пучка rп.

Мы использовали коллекторный приемник [11], показанный на Рис.

13. Щелевая диафрагма в графитовом диске вырезает часть электронного потока из трубчатого РЭП. 10 графитовых стержней прямоугольного сечения расположены за диафрагмой с некоторым шагом по радиусу и служат коллекторами электронов. Коллекторы имеют плунжерные контакты, поэтому шаг по радиусу может быть легко изменен, обычно в экспериментах этот шаг был равен 1 мм. Весь приемник так же был установлен на плунжерном контакте, и с помощью длинного штока с Рис. 13. Коллекторный приемник [11] — измеритель плотности тока электронного пучка.

ваккумно-прочным уплотнением мог передвигаться вдоль оси и вращаться по азимуту.

В обзоре [34] отмечено, что при бомбардировке коллекторов электронами имеют место нежелательные эффекты, которые искажают показания датчиков. Во-первых, это — вторичная электронная эмиссия.

Один из авторов [34] С. Ю. Галузо (физ. ф-т МГУ) провел специальное исследование, измеряя плотность тока РЭП описанным выше приемником.

С помощью разделительных конденсаторов на коллекторы приемника (в разных сочетаниях) подавался потенциал до нескольких сотен вольт, который должен был бы предотвратить влияние вторичной эмиссии электронов. Существенных различий в результатах измерений профиля плотности тока РЭП замечено не было. Это можно понять: количество вторичных электронов пропорционально плотности осажденного тока, а такие коллекторные измерения не претендуют на получение абсолютных значений.

Другим нежелательным эффектом является рождение плазмы под действием электронной бомбардировки коллекторов. Плазма должна была бы приводить к перетеканию тока с коллектора на коллектор и "размазыванию" результатов измерений. Возможно, однако, что ее влияние на результаты измерений преувеличено. На многочисленных рисунках, приведенных в последующих разделах этой главы, можно найти совершенно разные распределения плотности тока РЭП по радиусу, измеренные с помощью коллекторного приемника. Так, электронный пучок с профилем, изображенным слева на Рис. 41, стр. 95, расширяется;

внешняя граница пучка, показанного справа на том же рисунке неизменна, хотя толщина его растет. А трубчатый РЭП, профиль которого показан на Рис. 46, стр. 108, вообще имеет стабильную плотность тока с резкими границами на внутреннем и внешнем радиусах. Эти графики доказывают работоспособность прибора, с помощью которого были получены описанные ниже результаты.

§4. Измерение питч-углов электронных траекторий Оценить угловые характеристики электронного пучка можно многими способами. Можно следить за прохождением электронов через магнитную пробку, можно измерять одновременно ток (т. е. продольную скорость) и потенциал (погонный заряд) РЭП, и т. п. [35]. Мы не будем рассматривать здесь эти способы потому, что они не обладают достаточной точностью в случае малых величин угла [36]. Остановимся на более, с нашей точки зрения, перспективных способах.

Существует два основных подхода к измерению питч-углов в сильноточных электронных пучках. Первый основан на измерении собственного магнитного поля всего РЭП, второй — на исследовании траекторий движения небольшой фракции электронов, вырезанной из пучка. Есть и модификации указанных двух основных способов, например, измерение магнитного поля вырезанной из пучка небольшой фракции электронов [37]. Каждый из подходов имеет свои достоинства и недостатки, и у каждого своя сфера применения.

Структура собственного магнитного поля РЭП, а именно — его азимутальная и аксиальная составляющие, определяется соответственно продольной и поперечной компонентами скорости электронов. Аксиальная компонента поля измеряется с помощью диамагнитного зонда.

Зависимость величины сигнала зонда от искомой поперечной скорости электронов и других параметров описывается довольно громоздким выражением, которое можно найти, например, в [38]. Эта формула содержит несколько легко измеряемых параметров, но кроме того, еще и величины полного тока пучка, индукции ведущего магнитного поля и кинетической энергии электронов, которая, в свою очередь, зависит от их полной энергии и потенциала РЭП в дрейфовом пространстве. Таким образом, для вычисления питч-угла электронов необходимо измерить целый ряд величин, что не всегда осуществимо с желаемой точностью.

Заметим, что диамагнитный зонд измеряет аксиальное поле РЭП вместе с ведущим магнитным полем. На поверхности электронного пучка с типичными параметрами: ток 1 кА, радиус 1 см — собственное азимутальное поле равно 0.02 Тл, а аксиальная компонента, особенно если питч-углы невелики, еще меньше. Ведущее поле чаще всего имеет импульсный характер, и хотя его длительность ( 10-2 с) значительно больше длительности РЭП ( 10-7 с), но и сама величина поля РЭП на несколько порядков меньше величины ведущего поля, 1 Тл. Поэтому регистрация сигнала с диамагнитного зонда весьма непроста, особенно для электронов с небольшим значением питч-угла. И она тем более затруднительна на фоне неизбежных электромагнитных помех от работы ускорителя.

Но если технические трудности преодолены, бесконтактный метод — применение диамагнитного зонда — позволяет измерять параметры всего РЭП (см., например, [39, 40]) и одновременно использовать пучок в конкретном практическом приложении. Это и определяет преимущество данного метода перед всеми теми, о которых пойдет речь ниже. Однако в отличие от них, диамагнитный зонд в каждый момент времени дает информацию только об одном, некотором среднем значении питч-угла электронов и не позволяет судить о характере функции распределения.

Поэтому обратимся к контактным методам, которые дают возможность это сделать.

Контактные методы измерения функции распределения электронов РЭП по углам предполагают примерно одну и ту же процедуру: вырезать из электронного потока небольшую часть электронов и проанализировать их траектории. Эти методы имеют две основные разновидности. Одна из них основана на применении сравнительно длинных и больших по диаметру цилиндрических каналов [41] (известных также как "колодцы"), вторая — относительно коротких (вдоль оси) и малых по размеру отверстий, pin-holes*.

Иногда часть электронного пучка, вырезанная с помощью такого малого отверстия, распространяется в магнитном поле по спиральной траектории в достаточно длинной камере. Тогда можно применить диамагнитный зонд, как в [37], или пойти по пути [42]: осадить электроны на сцинтиллятор, и светящийся кружок с радиусом, равным ларморовскому, сфотографировать. Однако чаще применяется другая, более "короткая" конфигурация анализатора углового спектра, устройство которого показано схематично на Рис. 15.

Электрон 1 через отверстие диафрагмы 2 влетает со скоростью v в измерительную камеру и оседает на экране 3 на некотором расстоянии r от Рис. 15. Анализатор углового спектра. 1 — электрон; 2 — диафрагма; 3 — экран, 4 — ось аксиальной симметрии отверстия.

Англ.: отверстия от укола булавкой.

оси отверстия. Расстояние от диафрагмы до экрана равно L, угол между скоростью электрона и нормалью к диафрагме равен. Принцип действия анализатора очевиден: питч-угол электрона определяется по расстоянию r от места его регистрации на экране до оси. Требования к параметрам такого анализатора, например, ограничение на длину L, налагаемое амплитудой магнитного поля, а также величина погрешности измерений (из-за конечности размера отверстия, толщины диафрагмы, и т. д.) рассчитаны в [43].

Регистрация электронов может осуществляться различными способами. В [43] экраном служила тонкая лавсановая пленка, которая светилась, возбуждаемая быстрыми электронами, а в [44] в качестве такого сцинтиллятора использовалась пластина из ZnS. Свечение регистрировалось фотоаппаратом с затвором, открытым в течение всего импульса РЭП. В обоих случаях отверстий в диафрагменной пластине было много, что давало возможность проводить диагностику пучка одновременно во многих точках по поперечному сечению. Результат получался интегральный за время импульса — в отличие от работы [45], где электроны оседали на миниатюрный секционированный коллектор, состоящий из нескольких кольцевых электродов. Методика [45] позволяла изучать изменение электронных траекторий в течение длительности импульса.

Для того чтобы расстояние r от места осаждения электрона на экран до оси однозначно определялось его питч-углом, расстояние L от пространственного периода (шага) вращения H электрона в магнитном поле: L >B(t):

Нетрудно видеть, что при r = vpt, формула (1.2.3.3) совпадает с (1.2.3.2).

Масштаб времени на Рис. 43 а - г одинаковый, ноль отсчета совпадает с началом импульса напряжения на катоде. На Рис. 43 б, в приведены осциллограммы СВЧ-импульсов, соответствующие различным значениям B в диоде в условиях Рис. 42, т.е. когда магнитное поле в диоде практически не менялось в течение импульса тока РЭП. Эти и горизонтальных отрезков, начало и конец которых соответствуют моментам включения и выключения процесса СВЧ-генерации, а абсцисса — индукции магнитного поля B в диоде. Фактически, это не отрезки прямой, а куски осциллограммы B(t) (Рис. 42), точнее, ее вершины, примерно от 1.1 до 1.7 мкс. Так, отрезок AB соответствует СВЧ-импульсу, изображенному на Рис. 43 б, который был получен при B 5, отрезок CD соответствует СВЧ-импульсу на Рис. 43 в, полученному при B 10, и т.д.

Соединив эти отрезки (пунктир на), получим некую "область СВЧгенерации" на плоскости (B, t). Внутри этой области происходит излучение СВЧ-мощности, вне ее – СВЧ-генератор выключен.

На Рис. 43 а видно, что средняя скорость радиального перемещения "области СВЧ-генерации", т.е. наклон кривой r(t), соответствует измеренной с помощью коллекторной методики (Рис. 41) скорости увеличения радиуса электронного пучка: 6105 см/с.

Пусть теперь виток коррекции включается в такой момент времени, что корректирующее магнитное поле в диоде увеличивается по закону B(t), а суммарное поле уменьшается, см. Рис. 44. На Рис. 43 г приведена осциллограмма СВЧ-импульса, полученная при изменяющемся поле Рис. 44. Синхронизация дополнительного магнитного поля B(t) (3.5 мкс) и напряжения на катоде ускорителя (1 мкс) для коррекции радиуса РЭП во время прохождения тока.

витка. Видно, что продолжительность процесса генерации СВЧ совпадает со временем нахождения кривой B(t) в "области СВЧ-генерации".

Отметим, что кривая B(t) и "область СВЧ-генерации" на Рис. 43 а определялись по осциллограмме тока через виток (с пояса Роговского).

Поэтому шкала B приводится в относительных единицах, чтобы подчеркнуть отсутствие пересчета индукции магнитных полей и связанных с этим ошибок.

Таким образом, было продемонстрировано, что уменьшение скорости поперечного разлета катодной плазмы РЭП соответственно увеличивает длительность СВЧ-генерации в карсинотроне. Однако, следует заметить, что полная стабилизация радиуса электронного пучка (это контролировалось коллекторным приемником, установленным в камере коллектора, см. ниже Рис. 65 на стр. 140)— не привела к дальнейшему существенному удлинению СВЧ-импульса.

Более того, метод импульсной магнитной компрессии был применен в [113], при этом стабилизированный электронный пучок, имевший без СВЧ-генерации постоянный радиус, в присутствие СВЧ-волны начинал расширяться, и длительность СВЧ-импульса после стабилизации практически не изменялась. Подробнее об этом эффекте будет рассказано в Главе 2.

3. Генерация РЭП со стабильными параметрами в течение микросекундной длительности импульса взрывоэмиссионного катода распространяется поперек силовых линий магнитного поля со скоростью 105 — 106 см/с. Соответственно, радиус РЭП увеличивается с течением микросекундного импульса на несколько расширения электронного пучка обладают разной степенью сложности и в разной степени эффективны.

Созданный автором диод со взрывоэмиссионным катодом, который описан в этом разделе, позволяет стабилизировать параметры сильноточного РЭП. Оказалось, что не только форма, но и питч-углы электронов РЭП, полученного с помощью этого диода, сохраняются неизменными в течение, по крайней мере, 1 мкс.

§1. Способы воздействия на поперечное движение плазмы последовательных шагов. Целенаправленное вмешательство на любом из этих шагов может приводить к изменению скорости поперечного разлета экспериментальные данные и рассмотрим, какие именно действия экспериментатора могли бы привести к торможению плазмы.

Рождение плазменных факелов. С ростом электрического поля E уменьшается время задержки взрыва ~ E-3 [4], уменьшается роль экранировки [76], возрастает число эмиссионных центров. Увеличение числа катодных факелов уменьшает плотность тока через каждый из них, уменьшая концентрацию плазмы, быстрее переводя ее в режим насыщения (плотность тока РЭП j enpvTe, где np — концентрация плазмы, vTe — электрическим полем. Кроме того, с увеличением напряженности электрического поля на катоде (при уменьшении толщины катода) уменьшается нестабильность [114]. Таким образом, существенное, на порядки увеличение электрического поля, например, с помощью острий уменьшает разлет плазмы.

Разлет плазменных струй в скрещенных полях: магнитном и электрическом. Если плазма из эмиссионного центра влетает со скоростью ~ 106 см/с в магнитное поле B перпендикулярно его силовым линиям, т. е.

по радиусу, она поляризуется и дрейфует по радиусу благодаря азимутальному электрическому полю поляризации E со скоростью:

vr =cE/B. Показано [74, 115], что в данных условиях (B ~ 1 Тл, E < 1 МВ/см, концентрация плазмы np ~ 1013 1014 см-3, T ~ 3 эВ) плазма движется по радиусу с той же скоростью ~ 106 см/с по крайней мере до завершения образования плазменного слоя, т. е. на расстояние порядка дальнейшем сохранении поляризации и азимутального поля E (например, вследствие развития центробежной неустойчивости, см. далее) радиальное затравочными эмиссионными центрами, тем короче путь плазмы перпендикулярно силовым линиям магнитного поля до образования плазменного слоя.

Центробежная неустойчивость дрейфующей плазмы. Инкремент центробежной неустойчивости плазмы, дрейфующей со скоростью v по окружности, равен [115]:, где изменения концентрации плазмы по радиусу. Радиальное электрическое скорость дрейфа v = cEr/B, а инкремент центробежной неустойчивости ~, где М — масса ионов плазмы. Существенно увеличить знаменатель этого выражения трудно: np ~ 1013 1014 см-3, rn имеет величину порядка нескольких миллиметров (определяется трубчатостью РЭП, создающего плазму). Можно уменьшить числитель ф.(1.2.1.1), но для этого надо увеличивать размеры диода. Центробежную неустойчивость можно подавлять, помещая плазму в сходящиеся линии магнитного поля [107], как это было предложено в [108]. Можно, как в [79], с той же целью периодически менять направление кривизны эквипотенциалей, вдоль которых дрейфует плазма. Вывод: если развивается центробежная неустойчивость, то есть способы до некоторой степени ее подавлять.

В предыдущем разделе были описаны многочисленные методы стабилизации поперечного размера РЭП, полученного с помощью взрывоэмиссионного катода. Попробуем оценить их эффективность, пользуясь приведенными выше соображениями.

Управление геометрией микросекундного РЭП с помощью формы напряжения на катоде кажется малоперспективным. Ускоритель с микросекундной длительностью импульса — это, как правило, ГИН, нагруженный на вакуумный диод. У него может быть какой-то обостритель импульса, но укорочение фронта импульса напряжения до величины ~ 1 нс весьма проблематично. То же относится и к вершине импульса, которая должна быть плоской или слабо нарастающей ("поляризационный дрейф влияет на разлет плазмы" [87]): для этого потребуется накопитель-формирователь. Промежуточные формирователи (типа ДФЛ и т.п.) широко применяются с ускорителями наносекундного диапазона, но при микросекундной длительности очень громоздки и дороги. Поэтому способы стабилизации геометрии РЭП, основанные на столь специфической форме импульса микросекундного ускорителя, мало пригодны на практике. Что же касается конкретно результатов [87], то они вызывают сомнения, поскольку противоречат [5], где "не обнаружено существенной зависимости vp от напряженности внешнего электрического поля".

Пробочная форма магнитных силовых линий положительно влияет на геометрию микросекундного РЭП, замедляя разлет катодной плазмы.

Правда, скорость расширения РЭП снижается отнюдь не до нуля и растет с ростом напряжения на катоде, но, тем не менее, такой способ стабилизации заслуживает внимания.

Полностью скомпенсировать скорость расширения РЭП можно с помощью синхронной импульсной магнитной компрессии, нельзя только повлиять на изменение толщины трубчатого пучка со временем. Кроме того, нельзя не учитывать и техническую сложность метода. Так, для стабилизации РЭП длительностью 1 мкс нужно обеспечить надежную работу (в вакууме) витка с током порядка 80 кА при напряжении 25 кВ и длительности импульса 3.5 мкс. При увеличении длительности импульса сложности еще более возрастают.

Если взрывоэмиссионный катод изготовлен из проводника, то почти все равно, из какого именно: разница в скорости разлета катодной плазмы не очень существенна [31], хотя графит предпочтителен. А вот применение катодов из других материалов для генерации трубчатых РЭП с большой плотностью тока (порядка нескольких кА/см2) и стабильной формой вряд ли оправдано.

Форма катода имеет большое влияние на поперечную скорость расширения катодной плазмы. Так, "добавление" торцевой поверхности к кромочному катоду в несколько раз снижает скорость расширения плазмы в сторону оси. Конусная кромка у торцевого катода позволяет еще снизить скорость расширения РЭП, по крайней мере, в течение нескольких сотен наносекунд.

В определенных условиях проблема разлета катодной плазмы эффективно — практически, полностью — решается применением многоострийного взрывоэмиссионного катода. Здесь применяются и усиление электрического поля остриями, и малая площадь поверхности, перпендикулярной магнитным силовым линиям, и магнитная пробка. К недостаткам следует отнести небольшую среднюю плотность тока, которая влечет за собой немалые размеры, и трудоемкость изготовления, т. е. высокую стоимость. И, конечно, ограничение [104]: "стабильная работа только при напряжениях, при которых отсутствует эмиссия со вспомогательных элементов катодного узла", а именно, 250 кВ при полном токе 0.5 кА.

Итак, существовавшие к началу 1990-х годов диоды на основе взрывоэмиссионного катода не позволяли генерировать сильноточные РЭП микросекундной длительности с высокой плотностью тока и стабильной формой. В следующем параграфе показано, как это можно сделать.

§2. Катод с лезвийным острием, перпендикулярным магнитному Описанные выше способы воздействия на катодную плазму с целью стабилизации формы РЭП — усиление электрического поля с помощью острия и минимизацию поверхности, перпендикулярной магнитному полю, — можно осуществить. Для этого нужно "развить поверхность острий" иголок многоострийного катода и сделать катод в виде лезвия с острием, перпендикулярного магнитному полю [116].

Договоримся о терминах. Трубчатые катоды с острым краем, направленным вдоль линий магнитного поля, обычно называют "кромочными", "острокромочными" или "лезвийными". В предлагаемой конструкции острие (лезвие) катода направлено поперек линий магнитного поля, поэтому в дальнейшем будем называть такой катод поперечнолезвийным.

Работа проводилась на ускорителе "Терек-3" [8] с катодным напряжением 500 кВ в КДМИ с диаметром анода 15.3 см и магнитным полем 1 Т. Полный ток РЭП 2 кА. Радиальный профиль плотности тока измерялся секционированным коллекторным приемником, расположенным на расстоянии ~ 30 см от катода. Результаты измерений представлены на последующих рисунках. На гистограммах показано распределение плотности тока пучка J по радиусу r в различные моменты времени. Ноль отсчета на оси абсцисс соответствует внешнему радиусу катода.

На Рис. 45 показан поперечно-лезвийный кольцевой катод, сделанный из листовой нержавеющей стали толщиной 1 мм. Внешний диаметр кольца 38 мм*, ширина 2 мм, край заострен. Держателями катода служат два отдельных стержня-подвеса 2, которые, в свою очередь, закреплены на катододержателе 1.

Рис. 45. Слева: кольцевой поперечно-лезвийный катод из нержавеющей стали (3) на двух стержнях-подвесах (2) и катододержателе (1).

Справа: радиальный профиль плотности тока РЭП [116] для 4-х РЭП c диаметром 38 мм использовался в карсинотроне на моде E02, см.

Видно, что в течение первых 500 нс средний радиус РЭП соответствует ширине торцовой части катода. Между 500 и 700 нс после начала импульса профиль плотности тока "расплывается".

плотности тока кольцевого поперечно-лезвийного катода, заявленное в [116] и показанное на Рис. 45, наблюдалось нечасто. Многочисленные более поздние измерения, результаты которых показаны ниже, позволили установить, что можно получать стабильное распределение плотности тока РЭП, показанное на Рис. 46.

Рис. 46. Радиальный профиль плотности тока РЭП с кольцевого поперечно-лезвийного катода 28 мм и шириной 2 мм для моментов времени.

Недостатки кольцевого поперечно-лезвийного катода со стержневыми подвесами очевидны. Эмиссия электронов со стержнейподвесов, наблюдаемая при изменении угла между ними и щелевой диафрагмой коллекторного приемника, приводит к образованию на них плазмы и расширению РЭП. Кроме этой азимутальной неоднородности РЭП, эмиссия непосредственно с катододержателя, хорошо видная на автографах пучка на мишенях, сводит к нулю область практического применения такой конструкции катода.

Для избежания эмиссии с катододержателя и стержней-подвесов крепление кольцевого катода в [116] было сделано в виде конуса, см. Рис.

47. Эмитирующее кольцо с острым краем, конус и часть катододержателя представляли собой единую аксиально-симметричную конструкцию.

Внешний диаметр лезвийного кольца был равен 38 мм, ширина 4 мм.

Рис. 47. Слева: кольцевой поперечно-лезвийный катод [116] 38 мм и шириной 4 мм с конусным держателем. Справа: радиальный профиль плотности тока РЭП для 4-х моментов времени.

Радиальный профиль плотности тока РЭП катода с конусным держателем [116] показан на Рис. 47. Внешняя граница трубчатого РЭП практически не смещается по радиусу в течение 700 нс, но пучок постепенно расплывается вовнутрь, в сторону оси симметрии. Вероятно, электронная эмиссия с острого внутреннего края кольца и части конусного держателя также способствует появлению катодной плазмы.

Скругление внутреннего края катода при сохранении ширины кольца не дало существенного эффекта. Уменьшение ширины кольца до 2 мм вызвало увеличение внешнего радиуса РЭП, начиная с 300 — 500 нс.

Рис. 48. Слева: дисковый поперечно-лезвийный катод [117] с держателем.

Справа: радиальный профиль плотности тока РЭП для 4-х моментов времени.

Нетрудно догадаться, что причиной этого была эмиссия электронов с конусного держателя, образование и расширение плазмы. Численные оценки напряженности электрического поля будут приведены ниже.

Увеличение ширины кольца и уменьшение диаметра конуса привели к появлению конструкции [117], см. Рис. 48.

"Катод выполнен в виде диска клинообразного сечения с радиально направленным наружу острым краем. Торцевая поверхность катода выполнена в виде сплошного плоского круга" [117] диаметром 38 мм.

Радиальный профиль плотности тока РЭП такого поперечно-лезвийного дискового катода показан на Рис. 48. Видно, что в течение 700 нс профиль плотности тока практически не меняется: внешний радиус не выходит за границу 20 мм, полная толщина трубчатого пучка остается равной 4 мм, а плотность тока спадает от периферии к оси.

Когда-то Charles B. Wharton образно сравнил трубчатый острийный катод с трубочкой для вырезания печенья из теста: "cookey-cutter" [118].

Развивая гастрономическую традицию, дисковый поперечно-лезвийный катод вполне можно сравнить с резаком для пиццы.

§3. Особенности функционирования поперечно-лезвийных катодов Рис. 48 позволяет сделать вывод, что в течение всего импульса внешняя граница плазмы, эмитирующая электроны, находится на радиусе, равном внешнему радиусу катода. Это следует из того, что в начальные моменты времени размер плазмы мал, и электроны эмитируются практически с поверхности катода, а в дальнейшем внешняя граница РЭП не смещается.

На один из механизмов уменьшения скорости плазмы указывалось в [31, 119]: "… возрастает число эмиссионных центров на катоде, и ток на один центр уменьшается … уменьшение тока, снимаемого с эмиссионного центра, приводит к уменьшению скорости плазмы".

Число эмиссионных центров возрастает при увеличении скорости нарастания электрического поля [120], когда снижается эффект экранировки [76]. В свою очередь, скорость нарастания поля повышается за счет укорочения фронта импульса или за счет увеличения амплитуды поля, которое в значительной степени зависит от формы катода.

Нетрудно оценить среднее, т. е. без учета наличия на катоде микроострий, электрическое поле E при указанных выше параметрах эксперимента: катодном напряжении 500 кВ, диаметрах анода и катода цилиндрического катода поле E 0.2 МВ/см, а на острие поперечнолезвийного катода радиусом ~ 0.1 мм поле Е 8 МВ/см.

Поскольку характерный размер микроострий (~ 10 мкм [14]) много меньше радиуса острия лезвийного катода, то так же отличаются и реальные поля. Это понятно: микрорельеф поверхности и коэффициент усиления поля обработкой, и при одинаковом для двух катодов материале профиль ближайших к поверхности эквипотенциалей будет одинаков. Одинакова, таким образом, будет и геометрия силовых линий электрического поля вблизи поверхности, отличающихся по густоте (т. е. по напряженности поля), в данном случае — в 40 раз.

Как показано в [76, 4], время задержки рождения эмиссионных центров сильно зависит от напряженности E электрического поля: ~ E-3.

Тогда можно предположить, что линейная плотность затравочных цилиндрическом катоде, в случае поперечно-лезвийного катода будет существенно превышена.

Рис. 49. Зависимость [121] экспериментальной задержки пробоя от средней напряженности электрического поля и материала катода.

Согласно [74], формирование плазменного слоя из отдельных факелов снимает поляризацию и уменьшает скорость радиального разлета плазмы. Формирование слоя завершается при уходе плазмы факелов по радиусу на расстоянии порядка расстояния между эмиссионными центрами. Для цилиндрической поверхности катода [74] это расстояние ~ 3 мм, скорость разлета плазмы факелов 2106 см/с, и, т. о., время формирования плазменного слоя ~ 100 нс. Для поперечно-лезвийного катода время формирования слоя, по-видимому, существенно меньше, поскольку расстояние между факелами меньше. Возможно также, что в условиях, когда велико давление электрического поля >> nkT, скорость разлета плазмы факелов меньше указанной, слабее эффект экранировки, и еще больше число образующихся эмиссионных центров.

Напомним, что механизм [5] распространения катодной плазмы поперек магнитного поля в КДМИ включает в себя 2 этапа. Первый этап — это разлет катодной плазмы в виде струй, исходящих из отдельных эмиссионных центров на катоде при их одновременном размножении и образовании в некоторый момент более или менее однородного плазменного слоя вокруг катода. Усиление электрического поля E на острие поперечно-лезвийного катода приводит к существенному уменьшению задержки рождения эмиссионных центров, уменьшению расстояния между ними и сокращению времени формирования плазменного слоя. Второй этап механизма [5] распространения катодной плазмы — это расширение образовавшегося плазменного слоя вследствие развития центробежной неустойчивости [107]. Этот этап существенно более длительный, и именно он определяет результат разлета плазмы.

Оказывается, что сильное электрическое поле на острие поперечнолезвийного катода стабилизирует неустойчивость, не позволяя плазме распространяться поперек силовых линий магнитного поля.

Стабилизация желобковой неустойчивости плазмы неоднородным электрическим полем была описана в [122], где этот эффект был количественно рассмотрен в модели двухжидкостной гидродинамики холодной бесстолкновительной плазмы. Здесь мы только качественно поясним стабилизирующее действие неоднородного электрического поля на желобковую неустойчивость. Физическую картину поведения плазмы [122] можно представить следующим образом.

Когда в плазме возникает флуктуация плотности (желобок), происходит разделение заряда вследствие разного азимутального дрейфа электронов и ионов в магнитном поле. Разделение заряда приводит к появлению азимутального поляризационного поля и радиальному дрейфу плазмы. При наличии неоднородного по радиусу электрического поля возникший желобок будет вращаться, причем скорость вращения будет также неоднородной по радиусу. Эта неоднородность скорости приводит к искажению формы желобка и, тем самым, уменьшению азимутального компонента поляризационного электрического поля в желобке. При достаточно большой неоднородности радиального электрического поля азимутальная компонента поляризационного поля может даже изменить знак, что приведет к стабилизации желобковой неустойчивости. Это будет происходить в условиях, когда время искажения формы желобка окажется сравнимо (или меньше) времени развития желобковой неустойчивости:

Здесь Vdr — скорость неоднородного электрического дрейфа (вращения) плазмы, — инкремент развития желобковой неустойчивости. Величины и характеризуют, соответственно, время искажения формы желобка и время развития желобковой неустойчивости в плазме.

Нетрудно оценить описанный эффект применительно к поперечнолезвийному катоду. Пусть rs — радиус скругления острия. В условиях, когда радиус катода Rc >> rs, ось скругления можно считать прямой, а не окружностью с радиусом Rc: кривизна 1/ =1/Rc +1/rs 1/rs. Электрическое поле E около острия быстро спадает как E, где r — расстояние от оси желобковой неустойчивости можно представить в виде [115]:, где rn — некоторый характерный размер изменения концентрации плазмы по радиусу. В данных условиях, когда толщина лезвия достаточно мала, rs ~ rn, т. е. развитие желобковой неустойчивости, по крайней мере, сильно затруднено. Заметим, кстати, что даже само понятие дрейфа теряет первоначальный смысл [123] в условиях очень сильного электрического поля, когда E > B.

значительное количество плазменных факелов, которые быстро сливаются в сравнительно тонкий плазменный слой, но дальнейшего расширения плазмы поперек магнитного поля не происходит. Возможно движение плазмы вдоль линий магнитного поля, но такое движение не влияет на форму РЭП. Возможно также появление плазменных факелов на торцевых поверхностях катода. Здесь напряженность электрического поля значительно меньше, чем на кромке лезвия, во-первых, из-за плоской формы эмитирующей поверхности а, во-вторых, из-за экранировки ее электронами, эмитированными с кромки. Поэтому и поверхностная плотность факелов здесь существенно меньше. На торцевых поверхностях электрическое и магнитное поля направлены параллельно, и образующаяся плазма распространяется вдоль линий магнитного поля.

Напомним, кстати, про упоминавшуюся уже выше особенность торцевой поверхности: замедление радиального разлета катодной плазмы [5]. Если распространение плазмы поперек магнитного поля обусловлено поляризации плазмы Ep, то поперечная скорость движения плазмы уменьшается при наличии торцов или металлических проводников, закорачивающих Ep.

Важнейшим экспериментальным фактом, позволяющим понять процессы разлета катодной плазмы мы считаем результат, полученный в [64], а именно, то что: "плазма распространяется вдоль магнитного поля клином с вершиной вблизи радиуса катода". Это значит, что процесс расширения плазмы происходит в основном на самом катоде, а не в возможности провести подобные оптические эксперименты с поперечнолезвийными катодами. Отметим, что и плазма, распространяющаяся в обратную сторону, т. е. в сторону катододержателя, также не расширяется по радиусу, иначе электроны с нее вносили бы вклад в основной пучок, и это было бы заметно на профиле плотности тока. Учитывая это, а также результаты оптических измерений [64], можно схематично представить картину формирования РЭП как она показана в следующем параграфе на Рис. 56 слева.

В заключение отметим, что процессы разлета плазмы на поперечнолезвийном катоде и на цилиндрическом острийном (трубчатом) катоде принципиально отличаются. Сразу снимем кажущееся противоречие: на кромке трубчатого катода напряженность электрического поля может быть не меньше, чем на поперечно-лезвийном, а радиальный разлет плазмы имеет место. Это действительно так, однако эмитированные с кромки трубчатого катода электроны не влияют на электрическое поле, образование и разлет плазмы на боковой поверхности. А именно наличие боковой поверхности, нормальной к радиусу, определяет радиальное движение плазмы и расширение РЭП. Примером является многоострийный катод [104]: у него нет боковой поверхности, нет при определенных условиях и расширения РЭП, заметного в течение ~ 1 мкс.

§4. Поперечно-лезвийные катоды и профиль магнитного поля Стабилизация РЭП с помощью поперечно-лезвийных катодов была предложена в [116, 117], однако по очевидным соображениям [124] первая публикация [125] появилась существенно позже. Проведенные за это время исследования показали, что стабилизация профиля плотности тока возможна при определенных, не очень сильных ограничениях.

Рис. 50. Диодный узел. 1 — вакуумная камера; 2, 4 — детали катододержателя; 3 — отражатель, 5 — катод, 6 — коллекторный измеритель профиля плотности тока РЭП; 7 — катушки магнитного поля.

Схема диодного узла показана на Рис. 50. Катод диаметром 28 мм находился в магнитном поле ~ 1 Тл в камере 153 мм. При катодном напряжении 500 кВ полный ток с катода был 1.8 кА. Коллекторный измеритель профиля плотности тока (6), который на Рис. 50 схематично показан на краю узкой трубы дрейфа, на самом деле находился на достаточном удалении, ~ 0.5 м от него.

Конфигурация магнитного поля рассчитывалась по программе, описанной в 1-м разделе настоящей главы. На Рис. 51 показан контур катододержателя со сферическим отражателем, сечения соленоидов с числом витков N в каждом и 4 варианта профиля магнитной силовой линии, выходящей с кромки катода. Горизонтальная и вертикальная шкалы градуированы в сантиметрах, нижняя граница рисунка соответствует оси симметрии.

Рис. 51. 1, 2, 3, 4 — расчетные профили магнитной силовой линии в поле последовательно соединенных катушек с числом витков N.

эксперименте двумя способами. В первом способе питание катушки "N=10" осуществлялось от отдельного источника, в зависимости от тока в катушке силовая линия упиралась в сферический отражатель или проходила мимо, образуя обратный ток диода [15, 16]. Таким способом можно было "загнуть" силовую линию значительно сильнее, чем показано на Рис. 51.

В другом способе использовались диамагнитные свойства отражателя, изготовленного из меди толщиной 1 мм. Длительность импульса магнитного поля была ~ 5 мс, и при различных задержках относительно его начала (см. раздел 1, §2) профиль магнитного поля различен. На Рис. 52 показаны участок катододержателя, сферического отражателя и отрезки выходящей с кромки катода магнитной силовой линии при разных задержках относительно начала импульса магнитного Рис. 52. Отрезки магнитной силовой линии, выходящей с кромки катода, при задержках 1.8, 2.3, 2.8 и 3.8 мс относительно начала импульса магнитного поля. Диаметр измерительного зонда 200 мм.

поля. Профиль магнитного поля измерялся катушками-зондами, одна из них имела диаметр 28 мм, равный диаметру катода, и устанавливалась вместо него, а другая — 200 мм, близкий к диаметру отражателя, и устанавливалась, как показано на Рис. 52.

Используя Рис. 50 и приближение сферического конденсатора нетрудно оценить, что при катодном напряжении U = 500 кВ напряженность электрического поля на сферическом отражателе радиуса r = 128 мм равна E = U/RR/r 60 кВ/см. Здесь R = 292 мм, а R = r + R.

Заметная эмиссия электронов с металла может начаться в поле такой напряженности через несколько сотен наносекунд. Если магнитные силовые линии с катода упираются в сферический отражатель, как показано на Рис. 52 для линий "2.8" и "3.8", то электроны с отражателя могут попадать в канал транспортировки РЭП.

Рис. 53. Радиальный профиль плотности тока РЭП с дискового поперечно-лезвийного катода 28 мм для 5 моментов времени.

Магнитные силовые линии с катода упираются в поверхность На Рис. 53 проиллюстрирована именно такая ситуация. Через 700 нс после начала импульса тока РЭП внешняя граница электронного пучка начинала расширяться. Причиной этому, вероятно, было начало интенсивной электронной эмиссии со сферического отражателя. Кроме того, запертые между катодом и отражателем (магнитное поле на котором ~ 0.1 Тл) электроны могли постепенно смещаться по радиусу.

Рис. 54. Радиальный профиль плотности тока РЭП с дискового поперечно-лезвийного катода 28 мм для 5 моментов времени.

Магнитные силовые линии с катода касаются поверхности Ситуация, когда магнитные силовые линии с катода касались поверхности сферического отражателя (т.е. позиция "2.3" на Рис. 52) проиллюстрирована на Рис. 54. Видно, что движение внешней границы РЭП наружу все еще имеет место, но уже менее заметно.

Если же магнитные силовые линии с катода проходили на значительном расстоянии от отражателя (катушка "N = 10" на Рис. выключена или включена противофазно), то внешняя граница РЭП не расширялась в течение 1 мкс, как показано на Рис. 55.

Рис. 55. Радиальный профиль плотности тока РЭП с дискового поперечно-лезвийного катода 28 мм для 5 моментов времени.

поверхности отражателя.

Тем не менее, профиль плотности тока РЭП все-таки претерпевает небольшие изменения в течение импульса, а именно, немного расширяется вовнутрь. Это может быть связано с изменением формы катодной плазмы, распространяющейся в сторону коллектора.

Для устранения этого эффекта в [117] было предложено покрыть торцевую поверхность катода слоем изолятора, смысл предложения иллюстрируется на Рис. 56. На катоде без покрытия торцевая поверхность может эмитировать электроны, на ней могут появляться плазменные факелы, число и положение которых может меняться со временем. На поверхности катода, покрытой надежным диэлектриком, электронная эмиссия невозможна, и плазма не появится.

Рис. 56. Модель формирования РЭП на дисковом поперечно-лезвийном катоде. Слева — катод без покрытия, справа — катод, с покрытием торцевой поверхности изолятором. 1 — катод на держателе, 2 — обратный ток диода, 3 — РЭП.

В качестве диэлектрика для аналогичных целей — предотвращения эмиссии с оправы вельветового катода — в работе [44] было успешно использовано анодирование поверхности (покрытие твердым слоем окиси алюминия) толщиной 50 µm. Мы пробовали использовать этот метод, однако катода с твердым покрытием толщиной более 5 µm нам получить не удалось. Поэтому, вероятно, после нескольких импульсов тока РЭП слой Al2O3 на поверхности выгорал в кольце шириной до 2 мм по периметру катода. Измеренный радиальный профиль плотности тока РЭП не имел принципиальных отличий от приведенного на Рис. 55, поэтому здесь не приводится. Тем не менее, небольшие отличия можно было видеть, и они позволяли надеяться на успех применения метода в будущем.