«УТВЕРЖДАЮ Директор ИСЭ СО РАН чл.–корр. РАН _ Н. А. Ратахин 31 января 2008 г. ЕЖЕГОДНЫЙ ОТЧЕТ 2007 г. Томск—2008 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 2. СВОДНЫЕ ДАННЫЕ ПО ИНСТИТУТУ НА 01.12.2007 г 3. ...»

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

УТВЕРЖДАЮ

Директор ИСЭ СО РАН

чл.–корр. РАН

_ Н. А. Ратахин

31 января 2008 г.

ЕЖЕГОДНЫЙ ОТЧЕТ

2007 г.

Томск—2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

2. СВОДНЫЕ ДАННЫЕ ПО ИНСТИТУТУ НА 01.12.2007 г

3. ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,

ЗАВЕРШЕННЫХ В 2007 г.

4. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Отдел импульсной техники

4.2. Отдел физической электроники

4.3. Отдел высоких плотностей энергии

4.4. Лаборатория вакуумной электроники

4.5. Лаборатория плазменных источников

4.6. Лаборатория плазменной эмиссионной электроники

4.7. Лаборатория высокочастотной электроники

4.8. Лаборатория теоретической физики

4.9. Лаборатория низкотемпературной плазмы

4.10. Лаборатория газовых лазеров

4.11. Лаборатория оптических излучений

4.12. Лаборатория прикладной электроники

5. НАУЧНО–ТЕХНИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ, ЗАВЕРШЕННЫЕ В 2007 г.

6. ПРОГРАММЫ И ГРАНТЫ

7. ИННОВАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

8. МЕЖДУНАРОДНЫЕ СВЯЗИ

9. УЧАСТИЕ В ВЫСТАВКАХ

10. ПРЕМИИ, НАГРАДЫ, ПОЧЕТНЫЕ ЗВАНИЯ

11. ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРОВЕДЕНИЕ КОНФЕРЕНЦИЙ

12. ЗАЩИТА ДИССЕРТАЦИЙ

13. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВУЗАМИ

14. ПУБЛИКАЦИИ

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНОЙ

ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Основное научное направление деятельности Института, утвержденное Президиумом СО РАН — научные основы сильноточной электроники и разработка на этой базе новых приборов, устройств и технологий.

Импульсная энергетика и формирование плотных пучков заряженных частиц;

Получение мощных потоков рентгеновского, СВЧ и оптического излучения;

Исследование плазмы вакуумных и газовых разрядов;

Исследование процессов воздействия потоков частиц, плазмы, электромагнитного излучения на поверхность.

2. СВОДНЫЕ ДАННЫЕ ПО ИНСТИТУТУ НА 01.12.2007 г.

2.1. КАДРЫ Общая численность В том числе научных сотрудников Из них академиков РАН Членов–корреспондентов РАН Докторов наук

Кандидатов наук Научных сотрудников без степени Количество аспирантов очного и заочного обучения 2.2. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Защищено диссертаций: докторских кандидатских Монографий Число публикаций (всего) Статьи В т.ч. зарубежные Доклады в сборниках международных конференций Число охранных документов (патенты и лицензии)

3. ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ, ЗАВЕРШЕННЫХ В 2007 г.

3.1. Генерация К-излучения планарными лайнерами В экспериментах на тераваттном генераторе ГИТ-12 исследованы динамика имплозии и излучательные характеристики алюминиевых планарных лайнеров при времени имплозии 600—1300 нс и токе 2.2—3.8 МА. Максимальный выход излучения в К-линиях алюминия составил 6 кДж/см, что в 1.5 раза выше выхода излучения двухкаскадных и комбинированных (газовый лайнер – проволочный каскад) лайнеров при сравнимых уровнях тока и временах сжатия. Показано, что динамика имплозии многопроволочного планарного лайнера удовлетворительно описывается нульмерной моделью в предположении равномерного распределения тока между проводниками. Тот факт, что расчетный кинетический энерговклад на один ион в 1.5 раза меньше минимальной энергии на ион, требуемой для эффективной генерации излучения в К-линиях, позволяет говорить о наличии дополнительных механизмах нагрева плазмы.

Отдел высоких плотностей энергии (заведующий чл.-корр. РАН Н. А. Ратахин) Эксперименты с планарным лайнером, проведенные в режиме быстрой (100 нс) имплозии [V. L. Kantsyrev et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 34, 194 (2006)], показали, что данный вид нагрузки позволяет обеспечить бльшие выходы рентгеновского излучения по сравнению с традиционными цилиндрическими лайнерами. Представляет интерес исследовать характеристики данного типа лайнеров с целью увеличения эффективности плазменных источников излучения в К-линиях, работающих в микросекундном режиме.

Экспериментальные исследования динамики имплозии и излучательных характеристик планарных лайнеров в ИСЭ СО РАН проводились на генераторе ГИТ-12 (ток 4.7 МА, длительность импульса 1.7 мкс). В экспериментах варьировались количество проводников в лайнере, их диаметр, расстояние между проводниками и, следовательно, полная масса лайнера. Параметры нагрузки выбирались таким образом, чтобы обеспечить сжатие лайнера при временах имплозии от 600 нс до 1300 нс. При этом пиковый ток нагрузки составлял 2.2—3.7 МА. Динамика имплозии планарного лайнера регистрировалась с помощью временной развертки в оптическом диапазоне.

Рис. 1. Зависимость выхода излучения в К-линиях алюминия от массы проволочного планарного лайнера ( – диаметр проводника 20 мкм; – диаметр проводника 35 мкм) Моделирование динамики имплозии проводилось в рамках нульмерной модели. Хорошее совпадение между экспериментальными данными и результатами моделирования наблюдается в случае, когда при моделировании предполагается равномерное распределение тока между проводниками лайнера. Измерения мощности и выхода рентгеновского излучения в К-линиях алюминия проводились для всех конфигураций нагрузки. Максимальный выход излучения в К-линиях алюминия, зарегистрированный в эксперименте, составил 6 кДж/см, что в 1.5 раза больше по сравнению с результатами, полученными ранее при микросекундной имплозии двухкаскадных лайнеров и комбинированных (газовый лайнер — проволочный каскад) лайнеров при сравнимых уровнях тока и временах имплозии.

Работа выполнялась в рамках базового бюджетного финансирования СО РАН и гранта РФФИ 06-08-96926-р_офи.

магнитного поля Впервые на основе исследования процессов формирования и транспортировки сплошных сильноточных электронных пучков без внешних магнитных полей разработана концепция вакуумного СВЧ-генератора черенковского типа с расчетным КПД до 40%. Для транспортировки электронного пучка через замедляющую систему используется эффект самофокусировки собственным магнитным полем. На основе сильноточного электронного ускорителя СИНУС- создан экспериментальный образец черенковского СВЧ-генератора без внешнего магнитного поля с импульсной мощностью до 1.5 ГВт на частоте 4 ГГц. Отказ от использования внешнего магнитного поля позволяет многократно снизить общие энергетические затраты на генерацию мощных СВЧ-импульсов в устройствах черенковского типа.

Отдел физической электроники (заведующий д.ф.-м.н. В. В. Ростов) Основным побудительным мотивом для разработки мощных импульсных СВЧгенераторов без внешнего транспортирующего магнитного поля является снижение общих энергозатрат на генерацию, в которых расход энергии магнитными системами является, как правило, абсолютно преобладающим. Любые результаты, полученные в этом направлении, имеют значительную практическую ценность.

Особое внимание при разработке черенковского СВЧ-генератора без магнитного поля было уделено условиям формирования сплошного цилиндрического электронного пучка в планарном вакуумном диоде. Проведённые коллекторные измерения тока пучка вдоль гладкой трубы дрейфа за анодной сеткой продемонстрировали возможность транспортировки пучка на расстояния, существенно превышающие его диаметр. При этом распределение плотности тока по радиусу изменяется с пройденным от анодной сетки расстоянием. В процессе исследований была выбрана оптимальная на данный момент конфигурация металлодиэлектрического лезвийного катода и охранного электрода, которая позволила достигнуть более высоких показателей СВЧ-излучения, чем в предыдущей серии экспериментов. К настоящему времени на основе сильноточного ускорителя электронов СИНУС-7 реализован одномодовый (ТМ01) режим генерации прибора с эффективностью около 12 %, пиковой мощностью около 1.5 ГВт и длительностью микроволновых импульсов 10 нс. При этом для ряда импульсов ускорителя наблюдались режимы, когда микроволновая мощность возрастала до 1.6–1.7 ГВт.

Рис. 2. Осциллограммы продетектированных СВЧ-сигналов с волноводно–полоскового ответвителя (1) и антенны (2), тока (3) и напряжения на вакуумном диоде Типичные импульсы огибающей радиоизлучения представлены на рис. 2. Предполагается, что основное отличие от расчетной идеализированной модели (2.5-D моделирование методом «крупных частиц»), где удается получить КПД до 40%, заключается в несовершенстве условий формирования электронного потока (неравномерность эмиссии), потерях тока с катододержателя и в отсутствии плоской части на импульсе ускоряющего напряжения.

Работа выполнялась в рамках базового бюджетного финансирования СО РАН, программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные проблемы релятивистской импульсной и стационарной электроники большой мощности», а также гранта РФФИ № 05-02-08028-офи_а.

3.3. Генерация ионов высокой зарядности в плазме дугового вакуумного разряда В результате детального изучения эволюции зарядового состояния ионов в плазме вакуумного дугового разряда показано, что уменьшение средней зарядности ионов в течение импульса тока дуги определяется процессами перезарядки ионов с нейтралами. Использование короткого разрядного промежутка в сочетании с малой длительностью импульса и низким давлением газа обеспечивает генерацию многозарядных ионов в плазме вакуумного дугового разряда с зарядностью вплоть до 10+.

Лаборатория плазменных источников (заведующий д.т.н. Е. М. Окс) Одной из принципиальных особенностей функционирования вакуумного дугового разряда является заметное снижение средней зарядности ионов в плазме в течение импульса тока дуги. Такая эволюция зарядового состояния ионов наблюдается вплоть до миллисекундного диапазона длительностей и может быть связана как со снижением температуры ионизирующих электронов в области катодного пятна, так и с перезарядкой ионов при их движении от катода к аноду.

Исследования проводились совместно с группой применения плазмы Национальной Лаборатории им. Лоуренса, г. Беркли, США. Электродная система вакуумного дугового разряда была модернизирована таким образом, что имелась возможность варьирования расстоянием катод – анод, которое, в сущности, определяет протяженность дрейфа ионов при их движении от катода к аноду. Масс зарядовый состав ионов определялся с использованием времяпролетной методики.

Как показали эксперименты, уменьшение средней зарядности ионов в течении импульса тока дуги определяется прежде всего материалом катода. Однако для всех катодов функция может быть аппроксимирована экспоненциальной зависимостью.

Для конкретного материала катода степень снижения возрастает с увеличением давления остаточного газа, и снижением частоты повторения импульсов тока дуги.

Влияние тока разряда на эволюцию неоднозначно и во многом определяется давлением насыщенных паров при рабочей температуре материала катода. Увеличение протяженности области дрейфа ионов от катода к аноду приводит к существенному снижению средней зарядности ионов (рис. 3).

Результаты проведенных исследований однозначно свидетельствуют в пользу механизма перезарядки ионов в межэлектродном промежутке. В связи с этим генерация в плазме вакуумной дуги многозарядных ионов может быть обеспечена сокращением протяженности промежутка в сочетании с короткой длительностью тока и выбором материала катода, обеспечивающем при большом токе дуги относительно малое испарение. Так, например, для платины, сокращение промежутка до 2 см, при соответствующем увеличении тока дуги до 2.6 кА и уменьшении длительности импульса тока до 8 микросекунд обеспечивало генерацию ионов с зарядностью вплоть до 10+ (рис. 4).

Рис. 3. Временная зависимость средней зарядности ионов в плазме вакуумного дугового разряда при различной протяженности области дрейфа ионов от катода с анода для катода из молибдена.

Рис. 4. Характерный зарядовый спектр ионов в плазме вакуумного дугового разряда для платинового катода по токе разряда 4 кА, и длительности импульса 8 мкс Работа выполнялась в рамках базового бюджетного финансирования СО РАН при поддержке грантами РФФИ.

4. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. ОТДЕЛ ИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНИКИ (заведующий — академик РАН Б. М. Ковальчук) 4.1.1. Проведены комплексные исследования разрядников для быстрых ступеней линейных трансформаторов с уровнем зарядного напряжения 100 кВ, при коммутации токов до ~40 кА и переключаемым зарядом до ~10-2 К. Установлены факторы, влияющие на стабильность характеристик разрядников и срок их службы.

В результате исследований созданы и испытаны разрядники, обеспечивающие повышение мощности ступеней на 10%.

Получено, что зависимость напряжения самопробоя зазоров разрядника Usb (кВ) от давления сухого воздуха Р (ата) и длины зазора d (см) определяется выражением вне зависимости от наличия или отсутствия коронирующей иглы на отрицательном электроде зазора. В присутствии коронирующей иглы напряжение самопробоя в серии последовательных подъемов напряжения воспроизводится даже более стабильно, что объясняется генерированием УФ излучения в коронном разряде и наличием свободных электоронов в газовом зазоре.

С ростом длины зазора напряжение Usb для крайних зазоров (особенно в отрицательной половине разрядника) при больших напряжениях и давлениях оказывается ниже, чем предсказывает приведенное выше выражение, причем это уменьшение проявляется тем сильнее, чем шире зазор (см. рис. 5—7). По-видимому, это объясняется возникновением разряда по внутренней поверхности разрядника, шунтирующей эти зазоры, длина которой при изменении d остается неизменной.

Сняты вольт-амперных характеристики (ВАХ) коронного разряда во всех зазорах разрядника. Получено, что ВАХ зазоров не зависит от длины зазоров при d = (4—6) мм, но сильно зависит от длины коронирующей иглы h (при уменьшении h c 6 мм до 4 мм ток короны падает в ~ 2 раза).

Идентичность ВАХ отдельных зазоров в каждой половине разрядника является необходимым условием равномерного распределения зарядного напряжения и стабильной работы разрядника. Экспериментально получено, что при d = 6 мм острые иглы длиной 6 мм обеспечивают идентичность ВАХ зазоров в каждой половине разрядника на уровне ~ 5 % (см., например, ВАХ зазоров при d = 6 мм, h = 6 мм, Р = 3 ата на рис. 8), позволяя иметь близкое к идеальному распределение зарядного напряжения на электродах (рис. 9).

I, uA Рис. 8. ВАХ зазоров разрядника при Рис. 9. Распределение зарядного по напряжения В экспериментах по определению причин ограничения времени жизни разрядника выполнено несколько серий по ~35 000 выстрелов при зарядном напряжении (90—100) кВ. При этом разрядник испытывался в условиях, аналогичных условиям его работы в контуре ступени LTDZ в согласованном режиме. В этих экспериментах после окончания испытаний не было обнаружено каких-либо механических повреждений деталей разрядника, однако происходило обгорание острых концов коронирующих игл, что приводило к изменению ВАХ зазоров и искажению распределения зарядного напряжения по зазорам. Ниже показаны для примера фотографии игл на отрицательной крышке (рис. 10) и на пусковом электроде (рис. 11) разрядника после 37 000 выстрелов.

По результатам данных исследований разработан и испытан разрядник с зазорами длиной 4 мм (варианты М1 и М2). Получено, что оба варианта разрядника М1 и М2 при равных условиях позволяют получить на ~ 5% более высокое напряжение на нагрузке, чем стандартный разрядник с длиной зазоров 6 мм (см. рис. 12).

4.1.2. Разработан и исследован на генераторе ГИТ-12 радиальный плазменногазовый коммутатор для обострения микросекундного фронта тока в z-пинч нагрузке. Внешняя оболочка коммутатора формируется плазменными пушками, внутренние — газовыми соплами. Показано, что сочетание плазменного и газового каскадов уменьшает потери тока во внешних оболочках и позволяет формировать на внутреннем каскаде нагрузки мегаамперные импульсы со скоростью роста тока до 21014 А/с. С использованием созданного коммутатора получено двукратное увеличение мощности мягкого рентгеновского излучения.

Продвижение в микросекундный диапазон с уровнем тока ~ 10 МА требует формирование токовых оболочек с большим начальным радиусом. Эксперименты с трёхкаскадными газовыми лайнерами показали, что внешний каскад может выполнять роль плазмодинамического коммутатора. Однако, из-за не симметрии пробоя газовой оболочки в начальной стадии формирования токового слоя за ним остается часть массы оболочки. При быстром росте напряжения в финальной стадии имплозии возможна ионизация оставшегося за токовым слоем газа и восстановление проводимости в этой области. С целью устранения этого явления предложено использовать дополнительный внешний плазменный каскад.

Эксперименты проведены на установке ГИТ-12. Конструкция радиального плазменно-газового коммутатора с нагрузкой в центре дана на рис. 13. Плазменная оболочка формировалась 48 плазменными пушками, размещенными равномерно по азимуту на диаметре 350 мм. При запуске пушек за 3 мкс до включения генератора Маркса в области межэлектродного зазора формировалась плазменная оболочка массой до 20 мкг/см. Газовые оболочки создавались с помощью импульсной инжекции газа через сверхзвуковые сопла в межэлектродный зазор. Диаметры полых газовых оболочек составляли: внешней 240 мм, средней 100 мм; диаметр сплошной внутренней струи 20 мм.

Количество каскадов и их масса варьировались в ходе эксперимента.

Для измерения скорости роста тока в области ключа и нагрузки использованы магнитные зонды (B-dot). Они изготавливались из изолированного провода с диаметром намотки 1 мм. Зонды устанавливались на катоде в зонах между каскадами на расстояниях от оси ~ 8 см и 3 см. Общий ток нагрузки (Imd) измерялся с помощью индуктивной канавки Md, установленной за 100 мм до входа в радиальную линию. Величины токов получены интегрированием сигналов с датчиков.

ПЛАЗМЕННЫЕ ПУШКИ R

ГАЗОВЫЕ

ДИАГНОСТИКА

НАГРУЗКА

Рис. 13. Конструкция радиального плазменно-газового коммутатора с узлом нагрузки На рис. 14 приведены характерные осциллограммы переключения тока в нагрузку в виде двухкаскадного неонового лайнера с массами оболочек на диаметрах 100 мм и 20 мм по 150 мкг/см при использовании внешней плазменной оболочки. Микросекундный генератор имеет начальную скорость роста ~10 кА/нс и позволяет получить на входе ключа амплитуду тока Imd = 4.8 MA с фронтом 0.9 мкс. В результате формирования токовой оболочки и её ускорения к центру под действием электродинамической силы мы регистрируем обострение фронта тока. На радиусе 8 см, внутри которого сконцентрирована основная масса лайнера, обеспечивающая характеристики рентгеновского излучения, скорость роста тока достигает 90 кА/нс, а амплитуда тока Im2 – 4.35 МА с фронтом 110 нс (~ 90 % Imd). На радиусе 3 см скорость роста тока возрастает вдвое, до 170—180 кА/нс. Амплитуда тока Im1 = 3.9 MA с фронтом 40 нс (~ 80 % Imd).

Усреднённая на участке между датчиками М2 и М1 скорость движения токового слоя составляет vr = (rm2 – rm1)/tM1-M2) 3.2107 см/с. Имея измеренные длительности нарастания тока ф и его амплитуды Im, можно оценить ширину токовой оболочки ф vr на соответствующем радиусе и плотность тока в ней jz Im/(2rm): на радиусе 8 см — 2 ~ 2см, jz2 ~ 50 кА/см2; на радиусе на 3 см — 1 ~ 1 см, jz1 ~ 200 кА/см2.

Положительную тенденцию при работе с внешним плазменным каскадом подтверждают оптические и рентгеновские измерения. В случае использования внешней плазменной оболочки регистрируется более компактный пинч на оси системы.

4.1.3. Проведены испытания модифицированной ступени линейного трансформатора для ускорителя электронов для возбуждения активной среды в оконечном каскаде петаваттного лазера. Выполнен расчет параметров ускорителя электронов для оконечного каскада с применением модифицированных ступеней. Подтверждена возможность достижения удельной мощности накачки ~450 кВт/см3.

Модификация ступени, разработанной в 2006 г., была выполнена с целью повышения надежности конструкции и использования более простых технологий при изготовлении 24 ступеней, требующихся для создания ускорителя. В модифицированной ступени изменена конструкция центрального узла. Предусмотрена возможность увеличения сечения индуктора за счет использования трех либо четырех сердечников.

Ступень испытывалась при включении на нагрузку, имитирующую работу ступени при двух возможных режимах в диоде ускорителя. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры импульса в зависимости от зарядного напряжения и параметров нагрузки В таблице 2 представлены результаты расчета параллельного включения двух генераторов из 12 ступеней каждый на нагрузки 0.4 и 0.7 Ом, замещающие электронный диод ускорителя.

Таблица 2. Результаты расчетов работы генератора. Зарядное напряжение 100 кВ Сопротивление нагрузки, Ом Обозначения, принятые в таблице:

1/2 – длительность импульса мощности на половине максимального значения WH – энергия, введенная в нагрузку в течение первой полуволны напряжения W – энергия, введенная в нагрузку при уровне мощности не менее половины максимального значения PСР – средняя мощность при времени ввода энергии 1/2: PCP PУД.СР. – средняя удельная мощность при времени 1/2 с учетом потерь 50% энергии при выводе электронов из диода P.СР., где V=600 литров– объем активной зоны оконечного каскада.

На рис. 15 показана модифицированная ступень с установленной нагрузкой 0.049 Ом, ~ 0.5 нГн.

Рис. 15. Вид ступени со снятой верхней крышкой и установленной нагрузкой 0.049 Ом, ~0.5 нГн 4.1.4. Создан импульсный генератор с использованием линейного трансформатора с вакуумной изоляцией вторичного витка с энергозапасом ~ 9.6 кДж и выходной мощностью в режиме разряда близком к критическому ~ 50 ГВт.

Генератор создан для проверки схемных и конструктивных решений, принимаемых при проектировании ускорителя для возбуждения активного объема в оконечном каскаде петаваттного лазера.

В линейном трансформаторе 6 ступеней в каждой из которых включаются 4 блока с емкостью 80 нФ при зарядном напряжении 100 кВ. Для включения используются многоканальные многозазорные воздушные разрядники с атмосферным давлением.

Синхронное срабатывание разрядников трансформатора обеспечивается четырехканальным запускающим генератором.

На рис. 16 представлена фотография генератора. На рис. 17 приведены зависимости напряжения на выходе генератора от сопротивления нагрузки.

Сопротивление нагрузки: 1 — 2 Ом, 2 — 2.5 Ом, 3 — 3 Ом, 4 — 3.5 Ом, 5 — 4 Ом 4.1.5. Создан генератор, формирующий на нагрузке 12.5 Ом биполярный импульс длительностью 1 нс, амплитудами ±185 кВ с частотой 100 Гц.

Высоковольтный импульс с амплитудой 200 кВ на согласованной нагрузке поступает от генератора типа «СИНУС» в формирователь биполярного импульса. Схема формирователя биполярных импульсов приведена на рис. 18. Промежуточная линия FL заряжается от генератора типа «СИНУС» высоковольтным импульсом с амплитудой 200 кВ и разряжается через разрядник S1 и высокоомную линию FL2 на линию FL3. При зарядном напряжении на линии FL3 близком к максимальном срабатывает разрядник S2 и линия FL3 разряжается на линию FL4 к выходу которой последовательно подключены линии FL5 и FL6. Разрядник S3 включается через время двойного пробега волны от срабатывания разрядника S2 по линии FL3. Объем формирователя и разрядников заполнен азотом при давлении 90 ати. Осциллограмма импульса, формируемого на нагрузке R = 12.5 Ом, приведена на рис. 19. Внешний вид генератора показан на рис. 20.

4.1.6 Создан импульсный генератор с выходным напряжением ~ 300 кВ и энергосодержаниемв импульсе ~ 500 Дж с частотой повторения 1—10 Гц. Генератор предназначен для использования в установке для исследования разрушения материалов с помощью электрогидравлического разряда.

В генераторе применена зарядка через импульсный трансформатор высоковольтного емкостного накопителя (~ 10 нФ) до напряжения 300 кВ с последующим его подключением к нагрузке через искровой разрядник с давлением ~ 6 ата. Энергия импульса через коаксиальную маслонаполненную линию с волновым сопротивлением 45 Ом подводится к камере для дробления. В каждом импульсе регистрируется и записывается напряжение зарядки высоковольтного накопителя, напряжение на электродах камеры дробления, ток в камере дробления. По этим данным рассчитывается энергия, выделяемая при разряде в камере дробления. Управление генератором и системой регистрации обеспечивается персональным компьютером.

Рис. 21. Общий вид установки для дробления материалов: 1 – шкаф электропитания и управления, 2 – высоковольтный блок, 3 – разрядник, 4 – камера дробления материалов, 5 – передающая линия Power for pulsed transformer Demagnetizing unit

4.2. ОТДЕЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

(Заведующий д.ф.–м.н. В. В. Ростов) 4.2.1. В экспериментах на основе сильноточного ускорителя СИНУС- продемонстрированы режимы совмещения высокой эффективности СВЧ-генератора на длине волны 3 см — более 30% — и экстремально высокой мощности когерентного излучения — до 5 ГВт — без ограничения длительности генерируемых импульсов в электродинамической системе с повышенными поперечными размерами за счет задержки процессов инициирования и накопления плазмы вплоть до окончания импульса электронного пучка.

Целью данной работы являлось повышение мощности и энергии импульсов микроволнового излучения релятивистской лампы обратной волны (РЛОВ). В исследованиях была использована схема генератора с резонансным рефлектором и увеличенным поперечным размером замедляющей системы (D/ 1.6, где D – средний диаметр замедляющей системы, – длина волны излучения). За счет уменьшения напряжённости ВЧ электрического поля на поверхности гофрировки снижается вероятность возникновения взрывной электронной эмиссии на поверхности замедляющей системы под действием сильных ВЧ-полей с напряжённостью 106 В/см. При заданной длительности задержки взрывоэмиссионных процессов, расширения плазмы и срыва генерации на уровне около 10 нс пороговый уровень напряженности полей соответствует повышенной более чем в 2 раза мощности электромагнитной волны по отношению к ранее исследованным схемам РЛОВ (D/ 1). Наличие предварительной модуляции электронного пучка в области рефлектора обеспечивает снижение стартового тока генератора для рабочей волны и создаёт необходимое условие для селекции волн.

напряжения на диоде (2) и сигнала с лампового детектора (3) В эксперименте с использованием сильноточного наносекундного ускорителя электронов СИНУС-7 реализован одномодовый (ТМ01) режим генерации РЛОВ с эффективностью 31 %, пиковой мощностью 4.4 ГВт и длительностью микроволновых импульсов около 22 нс без применения специальных методов повышения электрической прочности ЗС (рис. 23). Измеренная калориметром энергия в микроволновом импульсе составила около 80 Дж. С увеличением мощности электронного пучка на 60 % мощность СВЧ-излучения возрастала до 5 ГВт при одновременном снижении КПД до 22 % и сохранении длительности микроволновых импульсов около 20 нс.

4.2.2. Экспериментально реализован пакетный импульсно-периодический режим работы (1 с, 50 Гц) релятивистской лампы обратной волны с резонансным рефлектором и полосой механической перестройки частоты генерации от импульса к импульсу 9 % (по половинному уровню мощности) в магнитном поле 0.36 Т.

Максимальная пиковая мощность генерации в пакете составила 2.5 ГВт на частоте 3.6 ГГц при эффективности 20 % и длительности СВЧ-импульса около 20 нс.

В исследованиях была использована конструкция релятивистской лампы обратной волны (РЛОВ), состоящая из ЗС с поперечным размером, превышающем длину волны излучения в 1.5 раза, и резонансного рефлектора для отражения обратной волны и предварительной модуляции электронного потока. Смещение рабочей частоты генерации осуществляется за счёт механического изменения длины участка дрейфа между рефлектором и входом в ЗС, что обусловливает простоту данного способа перестройки.

Данный режим реализуется в слабых магнитных полях (ниже области циклотронного поглощения встречной волны). Для импульсно-периодического режима работы генератора это позволяет исключить необходимость применения системы охлаждения катушек соленоида, снизить энергетические затраты на создание квазипостоянного (длительностью около 1 с) магнитного поля и облегчает проблему охлаждения коллектора.

Рис. 24. Зависимости нормированной на максимальное значение пиковой плотности потока мощности излучения (/max), частоты генерации (F) и длительности СВЧ-импульса () от номера импульса в пачке (N) В эксперименте на ускорителе СИНУС-7 был реализован пакетный импульснопериодический режим работы РЛОВ с перестройкой частоты генерации от импульса к импульсу (рис. 24). Длительность пачки импульсов 1 сек., частота повторения 50 Гц. При напряжении на катоде около 1 МВ, токе в диоде 15 кА и длительности импульса тока 50 нс мощность излучения на частоте 3.6 ГГц составляла 2.5 ГВт, длительность микроволновых импульсов около 20 нс, диапазон перестройки частоты в пачке (по половинному уровню мощности) (3.48—3.8) ГГц. В режиме с максимальной пиковой мощностью генерации при фиксированной частоте генерации в пределах пачки стандартное отклонение пиковых значений микроволновых импульсов относительно их среднего значения не превышало ± 3 % при длительности СВЧ-импульса около 20 нс.

4.2.3. Впервые на основе исследования процессов формирования и транспортировки сплошных сильноточных электронных пучков без внешних магнитных полей разработана концепция вакуумного СВЧ-генератора черенковского типа с расчетным КПД до 40%. Для транспортировки электронного пучка через замедляющую систему используется эффект самофокусировки собственным магнитным полем. На основе сильноточного электронного ускорителя СИНУС- создан экспериментальный образец черенковского СВЧ-генератора без внешнего магнитного поля с импульсной мощностью до 1.5 ГВт на частоте 4 ГГц. Отказ от использования внешнего магнитного поля позволяет многократно снизить общие энергетические затраты на генерацию мощных СВЧ-импульсов в устройствах черенковского типа.

В предыдущем цикле исследований релятивистского черенковского СВЧгенератора без внешнего магнитного поля нами достигнут гигаваттный уровень микроволновой мощности излучения (до 1.2 ГВт) при эффективности энергообмена около 8%.Целью данной работы являлось дальнейшее повышение микроволновой мощности и эффективности СВЧ-генератора с аксиально-симметричной геометрией системы. Особое внимание было уделено условиям формирования сплошного цилиндрического электронного пучка в планарном диоде в отсутствие внешнего магнитного поля.

Проведённые коллекторные измерения тока пучка вдоль гладкой трубы дрейфа за анодной сеткой продемонстрировали возможность его транспортировки на расстояния, существенно превышающие её диаметр. При этом распределение плотности тока по радиусу изменяется с пройденным от анодной сетки расстоянием. В процессе исследований была выбрана оптимальная на данный момент конфигурация металлодиэлектрического лезвийного катода и охранного электрода, которая позволила достигнуть более высоких показателей СВЧ-излучения, чем в предыдущей серии экспериментов. К настоящему времени на основе сильноточного ускорителя электронов СИНУС-7 реализован одномодовый (ТМ01) режим генерации прибора с эффективностью около 12 %, пиковой мощностью 1.5 ГВт и длительностью микроволновых импульсов 10 нс. При этом для ряда импульсов ускорителя наблюдались режимы, когда микроволновая мощность возрастала до 1.6—1.7 ГВт.

Типичные импульсы огибающей радиоизлучения представлены на рис. 25.

Предполагается, что основное отличие от расчетной идеализированной модели (2.5-D моделирование методом «крупных частиц»), где удается получить КПД 40%, заключается в несовершенстве условий формирования электронного потока (неравномерность эмиссии), потерях тока с катододержателя и в отсутствии плоской части на импульсе ускоряющего напряжения.

Рис. 25. Осциллограммы продетектированных СВЧ-сигналов с волноводно–полоскового ответвителя (1) и антенны (2), тока (3) и напряжения (4) в диоде 4.2.4. Продолжены исследования «сжатого» состояния сильноточного электронного пучка, распространяющегося по направлению к катоду при транспортировке пучка с виртуальным катодом в двухсекционном канале дрейфа с расширением диаметра канала. В экспериментах на основе электронного ускорителя СИНУС-7 получена зависимость скорости движения виртуального катода как функции от инжектируемого тока, а также выявлены высокочастотные колебания тока и потенциала при движении виртуального катода, обусловленные переходными процессами Совместно с лабораторией теоретической физики.

Ранее был теоретически предсказан и экспериментально подтвержден феномен «сжатого»

состояния электронного пучка в двухсекционном канале дрейфа [Беломытцев С.Я. и др. // Письма в ЖТФ. – 2004. – Т. 30. – В.24. – С. 88—94; Беломытцев С.Я. и др. // Письма в ЖТФ. – 2005. – Т. 31. – В. 22. – С. 74—81]. Сжатый электронный пучок и процессы при его формировании являются малоизученными, но перспективными, например, для коллективного ускорения положительных ионов в системе с виртуальным катодом (ВК).

Целью данной работы являлось экспериментальное измерение скорости движения ВК при транспортировке электронного пучка с ВК. Экспериментальные исследования проводились на сильноточном электронном ускорителе СИНУС-7 (напряжение на диоде до 2 МВ, ток в диоде до 20 кА, длительность импульсов тока – 50 нс). Напряжение на катоде составляло 800 ± 20 кВ. Измерение скорости движения ВК проводилось по задержке сигналов с высокочастотных емкостных датчиков, установленных в канале дрейфа. На рис. 25. приведены типичные осциллограммы сигналов c высокочастотных емкостных датчиков при разных зазорах анод—катод. Пики на осциллограммах соответствуют моменту возникновении максимума потенциала, вызванного появлением ВК вблизи датчика. При зазорах от 5 мм и менее, инжектируемый ток превышает значение тока перехода ITr для первой секции, при этом ВК начинает смещаться к плоскости инжекции, на осциллограммах для этих зазоров мы видим ярко выраженный пик, который соответствует движению ВК. При больших зазорах, и, следовательно, при меньших токах инжекции ВК не смещается к плоскости инжекции, что проявляется в отсутствии пиков (1 и 2 на рис. 25) на осциллограммах.

Ud1,V высокочастотных емкостных датчиков, для транспортировки, — эксперимент, — различных зазоров анод-катод: 1 — (-10) мм, численное моделирование PIC-кодом КАРАТ 2 — 5 мм, 3 — 60 мм На рис. 26 приведены результаты эксперимента, а также численного решения аналитической системы уравнений транспортировки электронного пучка с движущимся виртуальным катодом и моделирования PIC кодом КАРАТ. Моделирование показало, что для области значений тока инжекции Iinj 6 кА, ВК образуется на фронте импульса напряжения на диоде. Низкоэнергетические электроны, отраженные от ВК, не возвращаются на катод и накапливаются в трубе. Таким образом, эффективный заряд в канале дрейфа становится больше рассчитанного по теоретической модели, что приводит к увеличению скорости движения ВК. Этим, по-видимому, и обусловлено расхождение результатов измерений скорости движения ВК с результатами теоретических расчетов в рассматриваемой области значений Iinj.

4.2.5. В результате трехлетнего цикла исследований по изучению биологического действия импульсно-периодического микроволнового и рентгеновского излучений (ИПМИ и ИПРИ) показана существенная роль частоты повторения импульсов, когда в некоторой области частот показатели эффекта максимальны и снижаются с последующим ростом частоты повторения импульсов. Выявлен нетепловой механизм влияния ИПМИ и сложная нелинейная зависимость «доза—эффект» от ИПРИ, которая не противоречит известным представлениям о биологическом действии непрерывных ионизирующих излучений в малых дозах.

Целью проведенного цикла исследований (2005—2007 гг.) являлось выявление возможных процессов окислительной модификации биополимеров и оценка электрических характеристик тканей белых мышей при воздействии ИПМИ и ИПРИ.

В экспериментах на печени и крови мышей было показано, что биологические эффекты ИПРИ и ИПМИ могут сопровождаться окислительной модификацией липидов и белков. При этом эффекты воздействия в значительной степени оказались зависящими от частоты повторения импульсов. Указанные частотные зависимости имеют сложный характер, они не одинаковы для эффектов, инициируемых ИПМИ и ИПРИ. Картина изменения уровней окислительной модификации липидов и белков (измерялись продукты окисления липидов – малоновый диальдегид и карбонилированный белок) различна применительно и к гомогенату печени, и к сыворотке крови. Различна также и динамика использованных показателей. В частности, изменения биохимических показателей крови свидетельствует не только о влиянии на облучаемый орган, но и на организм в целом.

Поскольку окислительная модификация липидов и белков может приводить к повреждению мембран и менять параметры электропроводности, оказалось важным исследовать дисперсию электрического сопротивления и емкости биологических тканей в различных частотных диапазонах до и после воздействия излучений. В качестве тестобъектов были выбраны суспензия митохондрий печени и цельная кровь белых мышей.

Полученные результаты показали, что воздействие ИПМИ на суспензии митохондрий оказывает влияние, которое обнаруживается по статистически значимому смещению диаграммы Cole—Cole. Изменение как активной, так и реактивной составляющей проводимости в количественном отношении могут быть показателями биологического эффекта, которые оказались более выраженными на частотах следования импульсов 10, 13, 19 Гц. Пример для частоты 13 Гц микроволн представлен на рис. 27. После воздействия с частотой 25 Гц эффекта не наблюдается. Облучение ИПРИ суспензий митохондрий оказывает влияние, которое так же обнаруживается по смещению диаграммы Cole—Cole, при всех использованных частотах. В отличие от митохондрий на таком объекте как кровь, влияние ИПРИ не проявляется и обнаруживается после воздействия ИПМИ. Проведенные эксперименты подтвердили предположения об индукции окислительной модификации биополимеров и повреждения мембран, проявляющиеся в изменении электропроводности ткани. Согласно полученным результатам, диаграммы Cole—Cole могут быть использованы в последующих экспериментах как индикатор влияния ИПМИ и ИПРИ.

Рис. 27. Диаграммы Cole—Cole до и после воздействия ИПМИ с частотой 13 Гц на суспензии митохондрий

4.3. ОТДЕЛ ВЫСОКИХ ПЛОТНОСТЕЙ ЭНЕРГИИ

(заведующий чл.–корр. РАН Н. А. Ратахин) 4.3.1. На установке МИГ проведены исследования по генерации мегагауссных магнитных полей при сжатием магнитного потока плазменными лайнерами. Данная работа ориентирована на реализацию принципиально новой схемы электронного диода с магнитной изоляцией и создание на его основе радиографического рентгеновского источника обладающего как большой яркостью так и высоким пространственным и временным разрешением. В экспериментах внутри диэлектрической трубки реализованы квазистационарные магнитные поля с амплитудой до 40 Тл.

В 2007 г. проводились исследования по генерации мегагауссного магнитного поля сжатием магнитного потока плазменным лайнером, ориентированные на реализацию принципиально новой схемы электронного диода с магнитной изоляцией и создание на его основе относительно компактного и недорогого источника излучения для рентгеновской радиографии, обладающего высокой яркостью и проникающей способностью, а также высокими пространственным (1 мм) и временным (10 нс) разрешениями. Отличительной особенностью рассматриваемой схемы реализации источника являются как способы генерации импульса высокого напряжения и сверхсильного ведущего магнитного поля диода, так и то, что для их генерации применяется один и тот же драйвер — низкоимпедансный (0.3—1 Ом) сильноточный генератор.

Рис. 28. Зависимость от времени магнитного поля внутри трубки, Проведена модернизация конфигурации разрядников и разделительного (вода—вакуум) изолятора генератора МИГ с целью адаптации их параметров к условиям запланированных экспериментов. Разработаны, изготовлены и апробированы устройства формирования плазменных оболочек и начального аксиального магнитного поля.

Разработан и изготовлен блок нагрузки, включающий индуктивный накопитель, прерыватель тока, плазменный лайнер, начальное аксиальное поле, игольчатый катод и мишень. На сильноточном генераторе МИГ проведены эксперименты по генерации сверхсильного аксиального магнитного поля внутри расположенной на оси диэлектрической трубки (диаметром 3—5 мм) сжатием начального В0 поля плазменным лайнером (цилиндрической оболочкой). Показано, что в условиях данных экспериментов (режима работы генератора и конфигурации блока нагрузки) внутри трубки могут быть получены поля до 40 Тл, квазистационарные в течение 300 нс (рис. 28). Полученные результаты позволяют на следующем этапе работ перейти к экспериментам по получению импульсов напряжения 3—7 МВ с помощью плазменного прерывателя тока и формированию сфокусированного электронного пучка в ведущем аксиальном магнитном поле.

4.3.2. На импульсном генераторе МИГ проведены эксперименты с трехкольцевым большеплощадным диодом. За счет согласования выходного сопротивления генератора МИГ с сопротивлением нагрузки, в энергию релятивистского электронного пучка удалось передать до 20 % от энергии, запасенной в конденсаторной батареи. В результате, при торможении пучка на конденсированной фольговой мишени, получены следующие параметры источника излучения: средняя энергия квантов ~70 кэВ; площадь облучения 500 см2; при длительности импульса излучения на полувысоте 65 нс; флюенс энергии в полном спектре — 2 Дж/см2; доля сверхжесткого рентгеновского излучения (диапазон 10—100 кэВ) во флюенсе составила ~ 50%. Данный режим облучения мишени важен при проведении испытаний материалов и изделий на радиационную стойкость.

Генератор МИГ позволяет получать в бегущей волне электрические импульсы мощностью около двух ТВт при длительности импульса на полувысоте 50—60 нс. В режиме работы многоцелевого импульсного генератора МИГ, который использовался при проведении описанных ниже экспериментов, амплитуда тока через нагрузку составляла МА (ток релятивистского электронного пучка) при напряжении на диоде ~ 500 кВ.

Нагрузкой являлся большеплощадной вакуумный диод с тремя кольцевыми катодами. Суммарная высота изоляторных колец секционированного изолятора была уменьшена до 100 мм и зазоры магнитноизолированной линии уменьшены в 1.5 раза, поскольку значениями этих параметров определяется индуктивность блока нагрузки. В итоге данной серии экспериментов полная индуктивность блока нагрузки равнялась нГн, индуктивность блока нагрузки от оси диода до оси делителя из опыта короткого замыкания — 17 нГн, расчетная из геометрии этой части блока нагрузки — 16 нГн.

Анодом являлась танталовая фольга толщиной 20 мкм. Мощность падающего на узел нагрузки электрического импульса составляла около 1.25 ТВт, длительность падающего импульса на полувысоте – 100 нс, суммарная мощность, передающаяся в диод, до 0.8 ТВт, длительность импульса мощности в диоде на полувысоте 88 нс. Напряжение на блоке нагрузки – до 880 кВ, ток в блоке нагрузки достигал 2 МА, длительность импульса мощности излучения на полувысоте 65 нс, импеданс диода вблизи максимума излучения – 0.27—0.3 Ома против 0.3—0.4 Ома в диоде с большой индуктивностью (в серии экспериментов, описанных в предыдущем разделе) при тех же зазорах из-за большей длительности импульса в диоде. Изменение импеданса в большую сторону легко регулируется увеличением зазоров анод—катод. Графики ускоряющего напряжения, импеданса диода, тока в диоде и импульса мощности гамма и рентгеновского излучения для одного из пусков приведены на рис. 29.

Спектральный состав излучения по оси диода на расстоянии 670 мм от анода определялся методом фильтров. Использовался 16 канальный спектрометр с медными фильтрами различной толщины. При дозе в 5 мм от мишени в 20000—28000 Рентген максимальное значение флюенса гамма и рентгеновского излучения составило 1.6—2 Дж/см2, при этом доля во флюенсе рентгеновского (20—100 кэВ) излучения составила ~ 50%.

СКД1-01, отн.ед.

Iдиода, МА;

При измерении доз в один контейнер помещались по два детектора LiF, расположенных один за другим в направлении излучения. Было отмечено, что в измерениях без фильтров значения доз в первом и во втором детекторах в контейнере отличаются в 1.55 раза, что можно объяснить ослаблением излучения первым детектором. Проверка ослабления восстановленного спектра в детекторе LiF толщиной 1 мм (0.25 г/см2) показала отличие дозы в первом и во втором датчике в 1.6 раза, что подтверждает достоверность восстановленного спектра.

4.3.3. На основе малогабаритного, весом 70 кг, сильноточного импульсного генератора с амплитудой тока через нагрузку более 150 кА, при фронте нарастания около 100 нс разработан рентгенографический источник зондирующего излучения размером 5—10 мкм с длительностью импульса 2—4 нс в спектральном диапазоне 1—1.5 кэВ и выше 1 кэВ. Рентгенографического источника мягкого рентгеновского излучения будет применяться в исследованиях экстремальных состояний вещества и быстропротекающих процессов.

Основные элементы малогабаритного импульсного генератора: высоковольтный источник питания; система высоковольтной синхронизации; низкоиндуктивная конденсаторная батарея; сильноточные импульсные коммутаторы; передающая линия.

Принцип действия импульсного генератора следующий: высоковольтный источник питания заряжает импульсный конденсаторную батарею до напряжения 50 кВ, после срабатывания импульсных коммутаторов, запуск которых обеспечивает система синхронизации, импульс тока через формирующую линию передается на нагрузку.

Генератор тока состоит из четырех конденсаторно-коммутаторных сборок. Каждая сборка состоит из конденсатора емкостью приблизительно 0.25 мкФ и коммутатора на 50 кВ.

Импульсный генератор тока имеет следующие параметры:

Емкость конденсаторной батареи 1 мкФ Зарядное напряжение 50 кВ Энергозапас конденсаторной батареи 1 кДж Индуктивность конденсаторной батареи 7 нГн Внутреннее сопротивление генератора 0.07 Ом Импульсная электрическая мощность генератора 10 ГВт Габариты импульсного генератора:

Размер 454530 см;

Общая индуктивность генератора при работе на эквивалентную нагрузку составила 15— 17 нГн. Активное сопротивление разрядников практически, если и вносит вклад в потери энергии, этот вклад незначителен по сравнению с активным сопротивлением контура.

Эффективность передачи энергии из конденсаторной батареи в магнитную энергию составила ~ 70%, что позволяет генерировать ток амплитудой более 300 кА с фронтом нарастания 200 нс, то есть со скоростью нарастания 1.5 кА/нс через нагрузку величиной ~ 10 нГн.

Проведены эксперименты на малогабаритном импульсном генераторе с нагрузкой в виде Х-пинча. Показана возможность создания компактного источника зондирующего излучения размером 5—10 мкм с длительностью импульса 2—4 нс в спектральном диапазоне 1—1.5 кэВ и выше 1 кэВ. Энергии в импульсе излучения достаточно для засветки рентгеновской фотопленки УФШ-С на расстоянии 2 м (энергия квантов 1—1.5 кэВ), рентгеновской фотопленки РФ-3 на расстоянии 0.4 м от источника.

Рис. 30. Х-пинч из 4 W проволочек диаметром 20 мкм; высота 5 мм; угол между проволочками 53 градуса. Спектральный диапазон излучения hv >1 кэВ, длительность импульса излучения 1.6 нс. Как правило, импульс однопиковый, «хвост» слабо выражен или отсутствует 4.3.4. В экспериментах на генераторе ГИТ-12 проведены исследования динамики имплозии и излучательных характеристик алюминиевых планарных лайнеров при времени имплозии от 600 нс до 1300 нс и уровне тока от 2.2 до 3.8 МА.

Максимальный выход излучения в К-линиях алюминия составил 6 кДж/см, что в 1. раза выше выхода излучения двухкаскадных и комбинированных (газовый лайнер — проволочный каскад) лайнеров при сравнимых уровнях тока и временах сжатия.

Показано, что динамика имплозии многопроволочного планарного лайнера удовлетворительно описывается в рамках нульмерной модели в предположении равномерного распределения тока между проводниками. Согласно расчетам, кинетический энерговклад на один ион в 1.5 раза меньше минимальной энергии на ион, требуемой для эффективной генерации излучения в К-линиях. Этот факт позволяет говорить о наличии дополнительных механизмах нагрева плазмы.

Эксперименты с планарным лайнером, проведенные в режиме быстрой (100 нс) имплозии [V.L.Kantsyrev et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 34, 194 (2006)], показали, что данный вид нагрузки позволяет обеспечить большие выходы рентгеновского излучения по сравнению с традиционными цилиндрическими лайнерами. Представляет интерес исследовать характеристики данного типа лайнеров с целью увеличения эффективности плазменных источников излучения в К-линиях, работающих в микросекундном режиме.

Экспериментальные исследования динамики имплозии и излучательных характеристик планарных лайнеров при временах сжатия близких к 1 мкс проводились в рамках бюджетной тематики при поддержке грантом РФФИ #06-08-96926. Эксперименты проводились на генераторе ГИТ-12 (4.7 МА, 1.7 мкс). В экспериментах варьировались количество проводников в лайнере, их диаметр, расстояние между проводниками, и, следовательно, полная масса лайнера. Параметры нагрузки выбирались таким образом, чтобы обеспечить сжатие лайнера при временах имплозии от 600 нс до 1300 нс. При этом пиковый ток нагрузки составлял 2.2—3.7 МА. Динамика имплозии планарного лайнера регистрировалась с помощью временной развертки в оптическом диапазоне.

Рис. 31. Зависимость выхода излучения в К-линиях алюминия от массы проволочного планарного лайнера ( – диаметр проводника 20 мкм; – диаметр проводника 35 мкм).

Моделирование динамики имплозии проводилось в рамках нульмерной модели. Хорошее совпадение между экспериментальными данными и результатами моделирования наблюдается в случае, когда при моделировании предполагается равномерное распределение тока между проводниками лайнера. Измерения мощности и выхода рентгеновского излучения в К-линиях алюминия проводились для всех конфигураций нагрузки. Максимальный выход излучения в К-линиях алюминия, зарегистрированный в эксперименте, составил 6 кДж/см, что в 1.5 раза больше по сравнению с результатами, полученными ранее при микросекундной имплозии двухкаскадных лайнеров и комбинированных (газовый лайнера – проволочный каскад) лайнеров при сравнимых уровнях тока и временах имплозии.

4.3.5. Проведены эксперименты по электрическому взрыву проводников, цель которых — определение оптимальных условий взрыва для получения нанокристаллических порошков. Эксперименты показали, что напряжение зажигания разряда вдоль проводника (шунтирование) подчиняется известному закону Пашена для зависимости напряжения зажигания от произведения давления на расстояние. Результаты проведенных исследований демонстрируют, что методом электрического взрыва возможно получение наноразмерных порошков, в том числе и монокристаллов, со средним размером частиц менее 50 нм.

Работы по данному разделу финансировались проектом INTAS и государственным контрактом № 02.513.11.3127 в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы»; лот «Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Технологии создания и обработки кристаллических материалов», шифр 2007-3-1.3-25-01-104», тема: «Исследование закономерностей формирования и разработка научных основ технологии создания нанокристаллических порошков методом электрического взрыва».

Проведены дополнительные экспериментальные исследования по проверке физического моделирования электрического взрыва с использованием методов подобия на трех экспериментальных макетах и по определению минимального давления рабочего газа во взрывной камере. Совместно с Челябинским госуниверситетом и ИЭФ УрО РАН выполнены численные расчеты по модели гидродинамики гетерогенных сред, проведен численный эксперимент по скорректированной модели, учитывающей влияние начальной микроструктуры взрываемого металла. Результаты сопоставлены с экспериментом.

Проведены физические эксперименты для определения условий прямого получения нанокристаллических порошков. Результаты дополнительных экспериментов показали, что физическое моделирование соблюдается и в режимах работы использованных макетов. Напряжение зажигания разряда вдоль проводника (шунтирование) подчиняется известному закону Пашена для зависимости напряжения зажигания от произведения давления на расстояние.

Модель гидродинамики гетерогенных сред достаточно полно описывает процесс электрического взрыва и процессы формирования частиц при электрическом взрыве. Её корректировка с учетом влияния начальной микроструктуры взрываемого металла привела к возможности количественного описания динамики процесса, включая формирование частиц и их размер.

Расчеты по скорректированной модели гидродинамики гетерогенных сред дают результаты, хорошо совпадающие с экспериментальными данными.Обобщенные результаты проведенных исследований показывают, что методом электрического взрыва возможно прямое получение нанокристаллических порошков, в том числе и монокристаллических нанопорошков со средним размером частиц менее 50 нм.

4.4. ЛАБОРАТОРИЯ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

(Заведующий к.ф.–м.н. А. В. Батраков) 4.4.1. Закономерности формирования плазменного столба в сильноточном отражательном разряде и методы варьирования распределением плотности объемного заряда ионов по его радиусу и предварительные результаты численного моделирования процесса транспортировки сильноточного электронного пучка в протяженном плазменном канале, создаваемом с помощью данного разряда.

Зондовым методом измерены распределения плотности ионного тока насыщения (концентрации плазмы) по радиусу столба плазмы, формируемого с помощью сильноточного отражательного разряда. Установлено, что при увеличении тока разряда концентрация плазмы растет преимущественно в периферийной области разряда, что дает возможность управления профилем ее распределения. Результаты измерений являются основой для численного моделирования процесса транспортировки нерелятивистского сильноточного электронного пучка в протяженном плазменном канале.

Сильноточный отражательный разряд является исключительно эффективным инструментом для создания плазменного анода и/или канала транспортировки сильноточных электронных пучков. При сравнительно низких давлениях газа (0.01—0. Па) на катоде разрядной ячейки загораются катодные пятна, динамика которых определяет основные свойства разряда. С точки зрения электронной пушки наиболее важным параметром разряда является распределение концентрации ионов (или плотности ионного тока насыщения) в поперечном сечении столба, поскольку оно задает распределение плотности тока (энергии) сильноточного электронного пучка, формируемого в двойном слое. Очевидно, что одним из основных факторов, влияющих на этот параметр, является распределение катодных пятен.

Исследование свечения разряда с помощью камеры с открытым затвором показало, что с увеличением амплитуды тока разряда и напряженности внешнего продольного магнитного поля растет число катодных пятен в периферийной области разряда, а в приосевой области, соответственно, уменьшается. На этом эффекте и основан механизм управления распределением плотности ионного тока насыщения ji(r) по сечению столба разряда.

В качестве примера на рис. 32 приведены два таких распределения, полученные для различных значений амплитуды разрядного тока. Импульс тока разряда имел апериодическую форму с постоянной времени спада RC = 29 мкс. Из анализа распределений ji(r) следует, что с увеличением амплитуды тока разряда плотность ионного тока возрастает преимущественно в периферийной области разряда. Вероятно, это вызвано увеличением числа катодных пятен в данной области разряда, где условия самоподдержания пятен лучше. Действительно, электронам, эмитированным катодными пятнами в центральной области разряда, необходимо пройти больший путь поперек внешнего магнитного поля, чем электронам из периферийной области. Плотность ионного тока в центральной части разряда уменьшается также к концу разрядного импульса, что, видимо, связано с гибелью части катодных пятен к этому моменту.

Рис. 32. Радиальные распределения плотности ионного тока насыщения и концентрации ионов в различные моменты времени от начала тока разряда. Давление аргона – 0,06 Па, амплитуда тока разряда 80 А (слева) и Была построена математическая модель процесса транспортировки, на основе которой проводится численное моделирование методом крупных частиц. Модель учитывает дополнительную ионизацию рабочего газа электронами пучка и плазмы. В случае транспортировки пучка через плазму отражательного разряда этот учет является актуальным, поскольку к началу генерации пучка степень ионизации рабочего газа в составляет 20—30% (т.е. запас нейтралов достаточно велик), а характерное время ионизации сравнимо с длительностью импульса. На рис. 33 представлена зависимость концентрации вновь образованных плазменных электронов от времени для пучка с плотностью тока 500 А/см2 и энергией электронов 20 кэВ. В предварительных расчетах плотность тока пучка предполагалась независящей от времени и постоянной по сечению.

Рис. 33. Зависимость концентрации плазменных электронов, образованных при ионизации рабочего газа (аргон) электронами пучка и плазмы: (1) – исходное давление аргона 0,015 Па, (2) – 0,02 Па. Напряженность ведущего магнитного поля – 2 кЭ, радиус пучка – 3 см.

Работа выполнена в рамках научного направления «Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез» программы СО РАН «Физика низкотемпературной плазмы», проекта «Низкотемпературная плазма сильноточных газовых и вакуумных разрядов и ее применение для генерации пучков электронов и ионов» и при поддержке гранта РФФИ № 06-02-96905-р_офи «Разработка методов управления параметрами низкоэнергетического сильноточного электронного пучка и создание на этой основе источника электронов нового поколения».

4.4.2. Закономерности возникновения и функционирования капельных пятен при различной концентрации и температуре плазмы. Проверка возможности эффективного испарения капель в полете через столб плазмы дугового отражательного разряда за счет создания условий (повышенная концентрация и температура плазмы), способствующих зажиганию и функционированию капельных пятен. Предложено использовать электродную систему отражательного разряда (разряда Пеннинга) для создания в ней энергоёмкого плазменного столба при горении вакуумной дуги. Путем регулирования параметров плазменного столба удалось исследовать условия зажигания и горения в плазме «капельных пятен», возникающих на покидающих дуговой катод каплях, а, следовательно, возможности испарения капель при пролёте через плазменный столб. На примере катодов из Zr, Ti и Cu установлена возможность снижения на порядок величины и более доли капельной фракции на выходе из плазменного потока дугового разряда. Намечены пути совершенствования существующей теоретической модели капельного пятна путём учета влияния парового облачка вокруг капли на ее тепловой баланс.

Наличие в плазме вакуумной дуги большой доли капельной фракции существенно ограничивает возможности использования такой плазмы в технологиях. Недавно нами предложен метод значительного снижения доли капель в плазменном потоке, в основе которого лежит создание условий в плазме, способствующих инициированию и горению «капельных пятен» — термоэмиссионных дуговых пятен, горящих на раскаленных каплях, покидающих катод. Получая, наподобие униполярной дуги, энергию от окружающей разрядной плазмы, капельное пятно может функционировать вплоть до полного испарения капли. Чтобы увеличить энергоёмкость плазмы даже при том же уровне разрядного тока, было предложено использовать систему электродов отражательного разряда (разряда Пеннинга). Такой подход позволил сформировать однородный столб плазмы длиной 3 см, параметры которой удалось варьировать в пределах: электронная температура 3—10 эВ, концентрация электронов 5.1011— 3.1013 см-3. Это позволяет изучать влияние температуры и концентрации электронов разрядной плазмы на эффективность испарения в полёте капель, покидающих область катодного пятна вакуумной дуги и пересекающих сформированный столб плазмы. В экспериментах измерялось распределение по размерам капель, прошедших плазменный столб различной энергоёмкости.

В результате выполненных в 2007 году исследований получены новые данные, свидетельствующие о реальности создания условий для горения капельных пятен и, соответственно, снижения количества капель, прошедших через столб разрядной плазмы.

На рис. 34 приведены характерные фотографии осадков, полученных на подложках при горении разряда с катодами из Zr, Ti и Cu, а на рис. 35 приведены распределения капель по диаметрам для этих катодов. Из полученных данных следует, что создание столба более энергоёмкой плазмы за счет использования режима отражательного разряда, приводит к существенному уменьшению количества и размера капель, пролетевших столб разрядной плазмы.

Из существующей модели капельного пятна следует, что наибольший эффект от функционирования капельных пятен можно ожидать для катодных материалов, сочетающих, по возможности, малую работу выхода электронов e и высокую температуру плавления Тпл. К таким материалам относятся цирконий (e = 3,9 эВ, Тпл = 2125 К) и титан (e = 3,95 эВ, Тпл = 1881 К). Действительно, из представленных экспериментальных данных следует, что пролет капель циркония и титана через столб плазмы понижает их количество более чем на порядок, уменьшается и максимальный наблюдаемый диаметр капель. Из этих двух металлов модель предсказывает более заметное снижение доли капельной фракции эрозии катода из циркония, поскольку у него, в сравнении с титаном, и работа выхода меньше на ~ 0,05 эВ, и температура плавления выше на 244 К. Результаты экспериментов действительно демонстрирует несколько больший эффект для циркония.

Рис. 34. Типичные снимки осадков на подложках, полученные с использованием катодов из Zr (a), Ti (b) и Cu (c) при горении обычной вакуумной дуги (верхний ряд) и дугового отражательного Однако эффект оказался заметным и для меди, хотя модель предсказывает незначительное испарение медных капель, поскольку медь имеет существенно большую работу выхода (e = 4,4 эВ) и значительно более низкую температуру плавления (Тпл = 1356 К). Различие результатов расчетов и экспериментов связано, по-видимому, с тем, что в модели не учитывалось влияние испаренного материала капли на локальную концентрацию плазмы вокруг нее. Действительно, проведенные нами ранее исследования капельных пятен методом наносекундной резонансной лазерной интерферометрии и абсорбции показали, что вокруг капель наблюдается паровое облачко с концентрацией нейтралов на уровне 1017 см-3. Если предположить. что хотя бы несколько процентов этих атомов ионизуется, то локальная концентрация плазмы окажется выше концентрации плазмы в столбе и ее влияние на тепловой баланс капли может оказаться определяющим. В этой связи предпринимаются попытки учесть в модели влияние парового облачка на тепловой баланс капли.

Рис. 35. Распределения капель по размерам при горении обычной вакуумной дуги (кривые 1—3) и дугового отражательного разряда при В = 85 мТ (кривые 4—6). 1, 4—Zr; 2, 5—Ti; 3, 6—Cu.

Работа выполнена в рамках научного направления «Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез» программы СО РАН «Физика низкотемпературной плазмы», проекта «Низкотемпературная плазма сильноточных газовых и вакуумных разрядов и ее применение для генерации пучков электронов и ионов» и при поддержке грантов РФФИ № 06-02-17018 «Исследование динамики формирования капельных пятен в прикатодной области импульсного вакуумного разряда» и № 06-08-00684 «Исследование и разработка нового метода очистки плазмы вакуумной дуги от макрочастиц и создание на этой основе эффективного источника металлической плазмы для ионно-плазменных технологий».

4.4.3. Разработка метода формирования поверхностных сплавов на основе никеля на электродах с относительно низкими электроизоляционными характеристиками в вакууме с целью подавления их эмиссионной активности и повышения электрической прочности вакуумной изоляции. Разработан метод формирования поверхностных сплавов на основе никеля на электродах большой площади, основанный на предварительной очистке поверхности электродов низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком (НСЭП) микросекундной длительности, последующем нанесении пленки никеля на очищенную поверхность и завершающей операции сплавления пленки с подложкой (медь и материалы на ее основе) с помощью НСЭП. Как показали эксперименты, такой метод позволяет формировать поверхностные сплавы толщиной в несколько микрон и более с равномерным распределением компонентов по глубине и плавным диффузионным переходом легированного слоя к подложке. При этом поверхность электрода оказывается сглаженной, а в самом сплаве реально отсутствуют примеси. Это должно обеспечить высокий уровень электрической прочности вакуумных промежутков с подобными электродами.

Одна из серьезных проблем, встающих на пути повышения энергии, мощности или улучшении коммутационных характеристик высоковольтных электровакуумных приборов и устройств, связана с ограничениями, вызванными развитием электрического пробоя в вакууме. Несмотря на определенные успехи в разработке методов повышения электрической прочности вакуумной изоляции, новые задачи вызывают потребность продолжения поиска как путей увеличения уровня рабочих электрических полей, так и поиска причин развития пробоя в более высоких электрических полях. В ИСЭ СО РАН развивается метод повышения электрической прочности вакуумной изоляции, основанный на предварительной обработке электродов низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком (НСЭП) микросекундной длительности. В процессе такой обработки происходит плавление поверхностного слоя электродов и, как результат, очистка и сглаживание поверхности. Эксперименты с электродами из нержавеющей стали показали, что в результате такой обработки импульсная (~ 50 нс) электрическая прочность вакуумных промежутков, образованных электродами площадью до 100 см2, увеличивается до ~ 1 МВ/см (абсолютный рекорд для откачиваемых систем). Обработка с помощью НСЭП поверхности электродинамической структуры (нержавеющая сталь) 3-гигаваттной релятивистской ЛОВ позволила увеличить длительность импульса микроволнового излучения с 6 до 29 нс за счет подавления предпробойных явлений и СВЧ пробоя в структуре.

Однако в большинстве электровакуумных приборов нержавеющая сталь не является подходящим материалом электродов, очень часто предпочтение отдается таким материалам, как медь или сплавы на ее основе. Недостатком таких материалов является относительно невысокая электрическая прочность вакуумных промежутков, образованных электродами из подобных материалов. В связи с этим в ИСЭ СО РАН было предложено, не меняя привычный материал электродов, на их поверхности формировать поверхностный сплав на основе никеля. Как известно из литературы, сплавы никеля, в том числе и с медью, обеспечивают одну из самых высоких электрическую прочность вакуумной изоляции. Система никель—медь характеризуется неограниченной взаимной растворимостью компонентов, причем как в жидком, так и в твердом состоянии.

Технология формирования поверхностного сплава предусматривает предварительную электронно-пучковую обработку (очистку) поверхности электрода с помощью НСЭП, последующее нанесение слоя никеля, за которым следует обработка с помощью НСЭП системы пленка—подложка. Достоинством такого метода является то, что процедуры нанесения пленки и ее вплавления могут повторяться неоднократно, что позволяет создавать поверхностные сплавы достаточно большой толщины. Благодаря формированию поверхностных сплавов в глубоком вакууме обеспечивается их высокая чистота и сглаженность поверхности, что крайне необходимо для достижения высоких рабочих электрических полей.

На рис. 36 представлены измеренные методом Оже-электронной спектроскопии концентрационные профили химических элементов в поверхностном сплаве Ni—Cu, сформированном в результате импульсного плавления системы Ni (пленка)—Cu (подложка) с помощью НСЭП. Рис. 36 (а) относится к случаю однократного нанесения пленки никеля на медную подложку и последующего их сплавления. Видно, что толщина сформированного слоя поверхностного сплава составляет ~ 1,5 мкм. В поверхностном слое толщиной ~ 0,5 мкм образуется однофазный сплав с близкими концентрациями компонентов. На рис. 36 (б) представлены концентрационные профили элементов, полученные после двукратного проведения операций нанесения покрытия и последующего импульсного сплавления пленки с подложкой. В этом случае сформировался поверхностный сплав толщиной более 2 мкм. Видно, что с использованием предлагаемого метода можно формировать поверхностные сплавы с достаточно равномерным распределением компонентов по глубине и плавным диффузионным переходом легированного слоя к подложке. При этом толщина сформированного слоя на порядок больше, чем в случае использования наносекундного лазерного легирования. Это связано с тем, что параметры НСЭП обеспечивают как возможность работы с существенно более толстыми исходными покрытиями, так и большие времена жизни расплава, чем при наносекундном лазерном легировании.

Из рис. 36 (б) также видно, что в сформированном сплаве реально отсутствуют примеси.

Рис. 36. Концентрационные профили элементов системы Ni (покрытие) – Cu (подложка), облученной НСЭП: однократное (а) и двукратное (б) нанесение покрытия с последующим импульсным плавлением в Работа выполнена в рамках научного направления «Радиофизика, электроника»

программы СО РАН «Электроника больших мощностей», проекта «Генерация мощных наносекундных импульсов электромагнитного излучения». Данная работа выполняется также в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы» по теме: «Исследование возможности повышения энергоемкости ускорителей заряженных частиц и плазмы путем подавления электрического пробоя в вакууме», шифр «2007-6-1.6-00-04-001».

4.4.4. Исследование роли слабосвязанных наноразмерных частиц в инициировании импульсного вакуумного пробоя в предельно высоких электрических полях. В экспериментах по исследованию пробоя при наносекундных импульсах напряжения вакуумных промежутков, образованных электродами большой плотности, установлено, что облучение электродов электронным потоком с низкой плотностью тока при наличии сильного электрического поля, близкого к пробивному, снижает предпробойные токи практически до нуля. Однако при этом не наблюдается улучшения электрической прочности вакуумной изоляции. Данный эффект наблюдается только при условии высокой чистоты и низкой шероховатости поверхности электродов, обеспечивающих высокий уровень электрической прочности. Отсутствие корреляции между уровнем предпробойного тока и электрической прочности вакуумных промежутков свидетельствует в пользу доминирования механизма пробоя ударом наноразмерных частиц в случае электродов, не имеющих на своей поверхности активных эмиссионных центров.

Известно, что вакуумному пробою предшествует предпробойный ток, появляющийся при электрических полях, близких к пробивным. Предпробойный ток экспоненциально растет с ростом напряжения, что приводит к взрывной электронной эмиссии и нарушению вакуумной изоляции.

В данной работе установлено, что путем предварительной обработки поверхности электродов импульсным электронным пучком в режиме плавления поверхностного слоя удается достичь такого состояния поверхности, при котором практически отсутствуют активные эмиссионные центры при полях вплоть до 1.5 МВ/см в случае электродов из нержавеющей стали. Такие электроды обеспечивают электрические поля, выдерживаемые без пробоя, порядка 1 МВ/см, что само по себе является выдающимся достижением, но обратное соотношение полей пробоя и предпробойной эмиссии не вписывается в концепцию инициирования пробоя взрывом эмиссионного центра. Предпринимаются попытки объяснения данных экспериментальных результатов в рамках модели инициирования пробоя ударом макрочастицы. Заряженные макрочастицы ускоряются в промежутке и при достаточной плотности энергии при ударе о противоположный электрод способны инициировать пробой. Длительность импульса напряжения в несколько десятков наносекунд накладывает ограничение на максимальный размер частиц, способных вызвать пробой, в единицы нанометров.

Для более детального исследования эмиссионной активности в вакуумном промежутке при полях, близких к пробивным, была использована скоростная осциллография со сверхчувствительными входными каскадами. Было обнаружено, что в сильных электрических полях появляются разнополярные флуктуации тока на уровне единиц наноампер. При этом средний ток остается практически нулевым. Данные флуктуации не являются шумами регистрирующей аппаратуры. Так, при облучении поверхности электродов слаботочным электронным потоком флуктуации исчезают (Рис. 37). Природа разнополярных флуктуаций предпробойного тока при практически нулевом среднем токе может быть объяснена в рамках модели обмена электродами слабосвязанных макрочастицами. Поскольку поверхность электрода покрыта естественным слоем окисла толщиной в единицы нанометров, частицы оказываются изолированными, и за счет туннельной эмиссии сквозь пленку окисла могут приобрести избыточный заряд, знак которого зависит от полярности электрода. Избыточный заряд приводит к отталкиванию частицы с последующим ее попаданием на противоположный электрод, где процесс перезарядки повторяется. Процессы перезарядки приводят к флуктуациям тока.

Попытка использовать облучение поверхностей электродов слаботочным электронным потоком для осуществления их очистки от слабосвязанных частиц не привела к положительному результату. По-видимому, остается обратный поток частиц на электроды из источника электронов, а также со стенок вакуумной камеры. В настоящее время ведется поиски методов очистки поверхности электродов in situ от наночастиц.

Рис. 37. Флуктуации во времени предпробойного тока в промежутке с напряженностью электрического поля, близкой к пробивной. Стрелкой показан момент начала облучения поверхности электронным потоком Работа выполнена в рамках научного направления «Радиофизика, электроника»

программы СО РАН «Электроника больших мощностей», проекта «Генерация мощных наносекундных импульсов электромагнитного излучения». Данная работа выполняется также в рамках европейского рамочного проекта EU № 515876, акроним DIRAC-PHASE 1, название «Стадия 1 создания международного центра для антипротонных и ионных исследований (FAIR) в GSI, Дармштадт».

4.4.5. Исследование микроструктуры и свойств поверхностных сплавов, формируемых при импульсном электронно-пучковом плавлении мишеней из титановых сплавов с предварительно нанесенным многослойным покрытием Zr–Ti.

В экспериментах на многослойной системе Zr(20нм)/Ti(20нм)/…/Zr(20нм)/Ti(20нм)/ Ti-6Al-4V (общая толщина пленки 480 нм) установлено, что в результате импульсного плавления формируется однофазный поверхностный сплав Ti-30 ат.% Zr, свободный от Al и V, имеющий нанокристаллическую структуру и повышенную (после вакуумного отжига) нанотвердость.

Экспериментально установлено, что для однородного перемешивания Ti/Zr пленок и плавного диффузионного перехода к подложке (титановый сплав Ti-6Al-4V) необходимо, чтобы толщина пленок была существенно меньше глубины жидкофазной диффузии. В свою очередь, для предотвращения диффузии атомов Al и V из подложки к поверхности необходимо обеспечить такие условия жидкофазного перемешивания компонентов, при которых концентрация Zr в легированном слое превышает 20—25 ат.%. Применительно к низкоэнергетическому сильноточному электронному пучку с длительностью импульса 2. мкс эти условия были реализованы для системы Zr(20нм)/Ti(20нм)/…/ Zr(20нм)/Ti(20нм)/Ti-6Al-4V; общая толщина пленки 480 нм. При однократном импульсном плавлении (3.5 Дж/см2) происходит однородное жидкофазное перемешивание всех Ti/Zr нанослоев и диффузия Zr в подложку на глубину ~ 1 мкм (рис. 38).

Поверхностный слой толщиной ~0.5 мкм свободен от Al и V и, как следует из данных рентгеноструктурного анализа и оже-электронной спектроскопии (ОЭС), имеет однофазную структуру (Ti,Zr)-твердого раствора, содержащего ~30 ат.% Zr.

Последующий вакуумный отжига (500 0С, 2 ч.) приводит к росту толщины легированного слоя до ~ 1.2 мкм и обогащению его примесями O и С. При этом характер профилей Zr и Ti не изменяется, а Al и V в поверхностном слое толщиной 0.5 мкм отсутствуют.

Поверхностный Ti-Zr сплав имеет нанокристаллическое строение; средний размер зерен составляет 140 нм. Последующий отжиг приводит к уменьшению размера зерен до 80 нм (рис. 39). Такая структура обладает повышенной нанотвердостью и должна иметь более высокую коррозионную стойкость (за счет более равномерного распределения примесей по вдоль границ зерен). Данный метод поверхностной модификации может быть использован при финишной обработке медицинских имплантатов, изготовленных из сплава Ti-6Al-4V.

Рис. 38. ОЭС концентрационные профили для Рис. 39. Изображение поверхности системы системы Zr(20нм)/Ti(20нм)/…/Zr(20нм)/Ti(20нм)/Ti- Zr(20нм)/Ti(20нм)/…/Zr(20нм)/Ti(20нм)/Ti-6Al-4V, 6Al-4V, облученной при 3.5 Дж/см2, N=1 облученной при 3.5 Дж/см2, N=1 с последующим Работы выполнены в рамках научного направления «Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез» программы СО РАН «Физика низкотемпературной плазмы», проекта «Исследования воздействия низкотемпературной плазмы и ускоренных потоков заряженных частиц на твёрдые тела».

4.4.6. Экспериментальные и теоретические исследования ударно-волновых явлений и откольного разрушения в ультрамелкозернистой меди при воздействии наносекундного релятивистского электронного пучка. Установлено, что в результате формирования ультрамелкозернистой структуры в несколько раз возрастают пределы текучести и прочности меди при квазистатическом нагружении. На основе теоретических расчетов и экспериментальных данных определено, что откольная прочность ультрамелкозернистой меди (1.5 ГПа) выше, чем крупнозернистой (1.3 ГПа). Разрушение крупно- и ультрамелкозернистой меди как при квазистатическом так и при динамическом нагружении является вязким с ямочным отрывом. Различие заключается в том, что при динамическом нагружении ультрамелкозернистой меди наблюдается бимодальное распределение ямок отрыва по размеру.

Эффективным способом повышения прочности металлических материалов является измельчение зерен до ультрамелкозернистого состояния. В результате формирования ультрамелкозернистой структуры удается в несколько раз увеличивать прочность технически чистых металлов при квазистатическом и циклическом нагружении. Что касается данных по прочности ультрамелкозернистых материалов при динамическом нагружении, то они весьма ограничены. Представляет интерес сравнить прочностные характеристики металлических материалов с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурами при квазистатическом (скорость деформации 10-3—10-5 с-1) и динамическом (скорость деформации 105106 с-1) нагружении.

Динамическое нагружение мишени осуществлялось ударными волнами (амплитуда 8 ГПа), индуцируемыми релятивистским СЭП, который, в свою очередь, генерировался с помощью сильноточного ускорителя электронов СИНУС-7 (энергия электронов до 2 МэВ, ток пучка до 25 кА, длительность импульса 50 нс). Коммутатор высоковольтных импульсов был реализован посредством вентилируемого газового разрядника с тригатронным запуском, причем параметры электронного пучка варьировались изменением момента срабатывания тригатрона.

В качестве материала мишени использовались медные образцы различной толщины с различной исходной зеренной структурой. Исследования деформационного поведения меди с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой при квазистатическом нагружении показали, что в результате формирования ультрамелкозернистой структуры существенно повысились характеристики прочности. При исходном среднем размере зерен 200 и 0.45 мкм предел текучести и предел прочности составляют, 73 ± 2 и 208 ± (крупнозернистая) и 420 ± 6 и 447 ± 2 МПа (ультрамелкозернистая), соответственно. При этом разрушение по деформационному и структурному признакам является вязким с ямочным изломом.

Согласно проведенным расчетам динамики ударной волны и экспериментальным данным откольная прочность ультрамелкозернистой и крупнозернистой меди равна, соответственно, 1,5 ГПа и 1,3 ГПа, т.е., измельчение зерна до ультрамелкозернистого состояния приводит к увеличению откольной прочности на 15%. Независимо от толщины мишени подавляющая площадь поверхности соответствует ямочному излому отрыва, для которого характерно чередование областей с крупным и мелким размером ямок.

На рис. 40 приведена тыльная сторона облученных образцов меди, толщиной 4 мм в крупнозернистом (слева) и ультрамелкозернистом (справа) состоянии. Видно, что при одной и той же динамической нагрузке крупнозернистая медь разрушается сильнее, у нее происходит откол на тыльной поверхности с отрывом материла, в то время, как ультрамелкозернистая медь, хоть и разрушается, но, во-первых, материал не отрывается, а вспучивается, а, во-вторых, площадь разрушения материала в этом случае уменьшается.

Таким образом, измельчение структуры меди до ультрамелкозернистого состояния приводит к росту прочностных свойств не только при квазистатическом, но и при динамическом нагружении.

Рис. 40. Тыльная сторона медных образцов с крупнозернистой (слева) и ультрамелкозернистой (справа) структурами после облучения на ускорителе SINUS- Работа выполнена в рамках научного направления «Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез» программы СО РАН «Физика низкотемпературной плазмы», проекта «Исследования воздействия низкотемпературной плазмы и ускоренных потоков заряженных частиц на твёрдые тела» и при поддержке гранта РФФИ № 06–08–00983–а «Закономерности и механизмы откольного разрушения высокопрочных ультрамелкозернистных металлов при воздействии наносекундного релятивистского сильноточного электронного пучка».

4.5. ЛАБОРАТОРИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ

(заведующий д.т.н. Е. М. Окс) 4.5.1. В результате детального изучения эволюции зарядового состояния ионов в плазме вакуумного дугового разряда показано, что уменьшение средней зарядности ионов в течение импульса тока дуги определяется процессами перезарядки ионов с нейтралами.

Использование короткого разрядного промежутка в сочетании с малой длительностью импульса и низким давлением газа обеспечивает генерацию многозарядных ионов в плазме вакуумного дугового разряда с зарядностью вплоть до 10+.

Одной из принципиальных особенностей функционирования вакуумного дугового разряда является заметное снижение средней зарядности ионов в плазме в течение импульса тока дуги. Такая эволюция зарядового состояния ионов наблюдается вплоть до миллисекундного диапазона длительностей и может быть связана как со снижением температуры ионизирующих электронов в области катодного пятна, так и с перезарядкой ионов при их движении от катода к аноду.

Исследования проводились совместно с группой применения плазмы Национальной Лаборатории им. Лоуренса, г. Беркли, США. Электродная система вакуумного дугового разряда была модернизирована таким образом, что имелась возможность варьирования расстоянием катод – анод, которое, в сущности, определяет протяженность дрейфа ионов при их движении от катода к аноду. Масс зарядовый состав ионов определялся с использованием времяпролетной методики.

Как показали эксперименты, уменьшение средней зарядности ионов в течении импульса тока дуги определяется прежде всего материалом катода. Однако для всех катодов функция может быть аппроксимирована экспоненциальной зависимостью.

Для конкретного материала катода степень снижения возрастает с увеличением давления остаточного газа, и снижением частоты повторения импульсов тока дуги.

Влияние тока разряда на эволюцию неоднозначно и во многом определяется давлением насыщенных паров при рабочей температуре материала катода. Увеличение протяженности области дрейфа ионов от катода к аноду приводит к существенному снижению средней зарядности ионов (рис. 41).

Результаты проведенных исследований однозначно свидетельствуют в пользу механизма перезарядки ионов в межэлектродном промежутке. В связи с этим генерация в плазме вакуумной дуги многозарядных ионов может быть обеспечена сокращением протяженности промежутка в сочетании с короткой длительностью тока и выбором материала катода, обеспечивающем при большом токе дуги относительно малое испарение. Так, например, для платины, сокращение промежутка до 2 см, при соответствующем увеличении тока дуги до 2.6 кА и уменьшении длительности импульса тока до 8 микросекунд обеспечивало генерацию ионов с зарядностью вплоть до 10+ (рис. 42).

Mean charge state дрейфа ионов от катода с анода для катода из молибдена. Ток разряда 400 А, 1 Гц Работа выполнялась в рамках базового бюджетного финансирования СО РАН при поддержке грантами РФФИ.

4.5.2. В результате исследований процессов ионизации в двухступенчатой разрядной системе с инжекцией электронов из плазмы вакуумного дугового контрагированного разряда в область, помещенную в аксиально-симметричное неоднородное магнитное поле, создана модифицированная -версия источника низкоэнергетичных ионных пучков большого сечения, отличающегося более высокими интегральными и удельными параметрами, большей однородностью распределения плотности тока по сечению пучка и повышенным ресурсом.

Возникшая в последние годы потребность, в первую очередь, полупроводниковой промышленности, в интенсивных ионных потоках ультранизкой энергии (10—50 эВ), при которых процесс ионного распыления практически отсутствует, обусловила интенсивные исследования возможности генерации таких ионных пучков. Ранее нами было показана возможность эффективного использования для этих целей разрядных систем с внешней инжекцией электронов. По результатам проведенных исследований был создана так называемая – версия источника низкоэнергетичных ионных пучков. Целью создания – версии была, главным образом, демонстрация возможности генерации ионных пучков ультранизкой энергий.

В процессе создания модифицированной -версии источника низкоэнергетичных ионных пучков основное внимание уделялось как достижению параметров источника, обуславливающих требуемые эффекты воздействия, так и его конструктивному исполнению, обеспечивающему эксплуатационные характеристики приемлемые для его реального промышленного применения.

Схематичная конструкция разрядной системы ионного источника и его фотография в режиме функционирования представлены на рис. 43 и рис. 44. соответственно. Режим работы источника – непрерывный. Поток низкоэнергетичных ионов формируется в результате эффективной ионизации рабочего газа быстрыми электронами, инжектированными в объемную область из катодной части разрядной системы.

Электронный пучок формируется при отборе частиц из плазмы вакуумного дугового разряда. Катодные пятна вакуумной дуги функционируют на внутренней поверхности катода эмиттерного разряда двухслойной структуры. Для снижения уровня загрязнения газовой плазмы продуктами эрозии катодного пятна в конструкции генератора предусмотрена специальная «фильтрация» электронного потока в промежуточном электроде. Основные параметры – версии источника представлены в таблице Рис. 43. Электродная схема источника ионов низких энергий: 1 – эмиттер, 2 – фильтрующий электрод, 3 – сеточный анод эмиттерного разряда, 4 – поджигающий электрод, 5 – ферромагнитный корпус,

4.6. ЛАБОРАТОРИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ЭМИССИОННОЙ

ЭЛЕКТРОНИКИ

(Заведующий д.т.н. Н. Н. Коваль) 4.6.1. Проведены комплексные исследования эмиссии электронов из плазменного катода с сетчатой стабилизацией эмиссионной поверхности, а также формирования и транспортировки низкоэнергетического сильноточного пучка в плазмонаполненном диоде с таким плазменным катодом. Показано, что ускоренные в прикатодном слое до энергии 15—20 кэВ ионы анодной плазмы, образующейся в результате ионизации газа пучковыми электронами, поступают в плазменный катод и, обладая высоким сечением ионизации, создают дополнительную плазму, повышая эмиссионную способность плазменного катода. Кроме того, дополнительную эмиссию обеспечивают и электроны, образующиеся на катоде в результате ионноэлектронной эмиссии. При постоянном токе разряда в плазменном катоде Ip=100 A получено увеличение тока эмиссии до Iэ=200 А и пропорциональное увеличение энергии электронного пучка на коллекторе. За счет высокой концентрации анодной плазмы в канале транспортировки, превышающей в 102 раз концентрацию электронов в пучке, ток пучка 2 раза превышал предельный ток Пирса нейтрализованного пучка. Полученные результаты позволяют целенаправленно повышать эффективность плазменных источников электронов.

В исследованном плазмонаполненном диоде электроны ускоряются в слое, образованном между катодной плазменной эмиссионной поверхностью, стабилизированной мелкоструктурной сеткой диаметром 5 см, и подвижной границей плазменного анода, образующейся в результате ионизации газа пучковыми электронами.

Ширина слоя пространственного заряда устанавливается из условия равенства ионного тока в слое по закону «степени трех вторых» и бомовского тока насыщения. Ускоренные электроны попадают в трубу дрейфа (канал транспортировки пучка) диаметром 80 мм и длиной 200 мм, где происходит ионизация газа и обеспечивается эффективная транспортировка тока к коллектору. Для стабилизации пучка в ускоряющем промежутке и дрейфовом пространстве, ослабления сжимающего влияния собственного магнитного поля пучка вся система помещена в аксиальное магнитное поле с индукцией B1=0,03 Тл.

Как показали зондовые измерения, при давлении р=0,05 Па и концентрации электронов в пучке nb 11010см-3 в трубе дрейфа концентрация плазмы составляет ne11012см-3.

Ионы пучковой плазмы, ускоренные в прикатодном слое до энергии 15—20 кэВ, сечения ионизации (i=10 —10 см ), ионизируют газ, повышают концентрацию плазмы, а, соответственно, и эмиссию электронов из плазменного катода. Увеличение тока эмиссии за счет быстрых ионов можно представить в виде:

где ng – концентрация нейтралов в плазменном катоде, i – сечение ионизации ионами, L – длина катода, i – скорость ионов. Кроме того, определенный вклад в эмиссионный ток могут дать электроны, образующиеся на катодном электроде в результате ионноэлектронной эмиссии при бомбардировке его ускоренными ионами. Осциллограммы токов в цепях различных электродов электронного источника представлены на рис. 45.

Обращает на себя внимание факт, что в отсутствие магнитного поля токи эмиссии и коллектора превышают ток разряда, их нарастание происходит в течение всей длительности импульса, а через 100 мкс после начала импульса в цепи труды дрейфа протекает ионный ток, превышающий 100 А. Наблюдение превышения тока коллектора по сравнению с током эмиссии вызвано, вероятно, поступлением на коллектор плазменных электронов, ток которых сравним с ионным током, фиксируемым в цепи трубы дрейфа.

Рис. 45. Характерные осциллограммы токов плазмонаполненного диода в отсутствии внешнего магнитного поля при давлении p = 0.05 Па, ускоряющем напряжении Uуск=15 кВ: 1 – ток в цепи трубы дрейфа; 2 – ток разряда; 3 – ток эмиссии; 4 – ток коллектора. Чувствительность 100 А/дел, развертка 25 мкс/дел.

Оцененные значения повышения тока эмиссии удовлетворительно согласуются со значениями, полученными в эксперименте. Следует отметить, что калориметрические измерения общей энергии, переносимой пучком на коллектор, свидетельствуют о ее пропорциональном росте с увеличением тока эмиссии катода.

В эксперименте не наблюдались срывы тока пучка при токах, превышающих предельный ток Пирса нейтрализованного пучка. Так, при ускоряющем напряжении Uуск=15 кВ и длительности импульса 200 мкс на коллекторе получен ток пучка 200 А, в два раза превышающий ток Пирса. Это согласуется с известным явлением стабилизации тока пучка в случае, если он распространяется в плазме с концентрацией, превышающей некоторую критическую величину, зависящую от отношения концентрации плазмы к концентрации электронов в пучке.

В результате проведенных исследований удалось более чем в два раза повысить ток пучка ускоренных электронов без увеличения тока импульсного дугового разряда в электродной системе плазменного катода, а также обосновать механизм такого увеличения, что открывает перспективы создания более эффективных источников электронов с плазменными катодами.