Физическая электроника, физика плазмы, пучков заряженных частиц и источников ВУФ и рентгеновского излучения

Цель проекта - проведение исследований в области физической электроники, физики плазмы, пучков заряженных частиц и источников вакуумного ультрафиолета и рентгеновского излучения. Методология проведения работы – в рамках выполнения данной темы Плана Научно-исследовательских работ Государственного задания ФИАН проводились как как экспериментальные исследования и разработка соответствующего оборудования, так и развитие теоретического описания с проведением детальных численных расчетов. Результаты работы На основе концепции цепочек ионизационных лавин электронов, генерирующих убегающие электроны и фотоэлектроны с катода, построена модель наносекундного диффузно-канального разряда, объясняющая с единой позиции формирование как объёмной, так и контрагированной формы импульсного разряда в газе. Предложена простая модель, последовательно описывающая ионизацию электронным ударом, усиление электрического поля за счет объемного заряда плазмы разряда и ускорение убегающих электронов до ~100 эВ в усиленном поле. Найдены оптимальные условия для ускорения, ионизации и усиления поля при плотности плазмы ~1015 – 1016 см-3 и энергии в сотни эВ. Эта энергия соответствует режиму ускорения «запертых» убегающих электронов, тогда электроны производят максимальную ионизацию вместо непрерывного ускорения к аноду и генерации рентгеновских лучей. Полученные оценки позволяют пересмотреть роль убегающих электронов в импульсном газовом разряде. Предложен сценарий инициирования взрывной электронной эмиссии на границе катода и плотного газа, основанный на накоплении у естественных микровыступов положительных ионов, образующихся в результате ионизации газа эмиссионными электронами. Расстояние, на котором формируется объемный электрический заряд, падает с ростом плотности/давления газа, что приводит к увеличению индуцированного им поля на эмитирующей поверхности. В итоге для газа высокого (в десятки атмосфер) давления происходит взрывной рост плотности эмиссионного тока, приводящий за десятки-сотни пикосекунд к образованию взрывоэмиссионных центров. Они становятся зародышами плазменных каналов, развитие которых сопровождается генерацией убегающих электронов. Быстрые электроны ионизуют газ за времена, сравнимые со временем прохождения света через промежуток, приводя к его субнаносекундному пробою. Кроме того, на основе двухмерных аналитических и численных Монте–Карло расчетов описаны угловые распределения электронов вблизи порога убегания в условиях резко неоднородного электрического поля в промежутке, обусловленного использованием конических и лезвийных катодов. Исследованы эмиссионно-разрядные процессы при прохождении в коаксиальной линии высоковольтных субнаносекундных импульсов с варьируемой амплитудой и длительностью. Возникновение или отсутствие пробоев проанализировано для изоляции из различных газов и при вариации давления от атмосферного до технического вакуума. Применялся однородный коаксиальный тракт, а также специальные дисковые вставки - усилители электрического поля на центральном (катодном) электроде. Для констатации наличия пробоев использован метод рефлектометрии. Определены амплитуды/длительности импульсов напряжения, где в развитии пробоев существенна роль убегающих электронов (УЭ), появляющихся около усилителя. Установлен диапазон давлений воздуха (5-10 Торр), при которых эмиссия УЭ замешается взрывной электронной эмиссией (ВЭЭ) с металла катода. Впервые продемонстрирована компрессия пикосекундного потока убегающих электронов с энергией ≈ 200 кэВ и током в единицы-десятки ампер в воздушном промежутке посредством импульсного ведущего магнитного поля, нарастающего вдоль траектории частиц в 10–20 раз - до 5 Т. Проанализированы ограничения на интегральный ток пучка из-за отражения частиц от области сгущения силовых линий - магнитного зеркала. Показана возможность увеличения плотности и однородности тока в области сильного поля, где получено (3–4)-х кратное радиальное сжатие трубчатого пучка и рост плотности тока до 100 А/см2. В коаксиальном магнитоизолированном диоде с сильным продольным магнитным полем и трубчатым графитовым катодом с помощью коллекторного датчика электронного пучка продемонстрирована взаимная синхронизация (корреляция) моментов появления взрывоэмиссионного вакуумного тока и импульса убегающих частиц в газе, что объясняется инициированием обоих процессов автоэлектронной эмиссией из катода. Методом динамической рефлектометрии показано, что локализующая начало обоих эмиссионных механизмов область напряжения на фронте высоковольтного импульса позволяет применять субнаносекундные (не более 200 пс) фронты напряжения для формирования вакуумного сильноточного пучка и затем обеспечить выход его тока на максимальные значения за время не более 1 нс. По свойствам критического состояния различных материалов оценены параметры плазмы катодного пятна, создаваемой импульсами взрывной электронной эмиссии. Кинетическая энергия катодного плазменного факела оценивается в 100 Tcr, где Tcr — критическая температура материала катода. На основе уравнения типа Саха и двухтемпературного моделирования взрыва жидкометаллической микроструи получена оценочная формула для среднего заряда ионов Zav = 1 + Tcr/eV, которая согласуется с имеющимися экспериментальными данными. Это позволяет объяснить линейную зависимость между средним зарядом и кинетической энергией, полученную экспериментально для ионов катодной плазмы. С использованием этой оценки, для полученного ранее выражения импульса плазмы к протекшему заряду μ была получена оценка μ ~ 5 (Mi/Mp)1/2 г см/(с · Кл), где Mi/Mp — отношение масс ионов и протонов. Изучено взаимодействие электромагнитного излучения с неоднородной плазмой, образованной при многофотонной ионизации атомов инертного газа. В режимах высокочастотного и нормального скин-эффектов описана структура поля в плазме и найдены коэффициенты отражения и поглощения. Показано, как по мере увеличения толщины области плазмы, в которой плотность фотоэлектронов нарастает по линейному закону, происходит увеличение, как глубины проникновения поля, так и коэффициента поглощения. Установлено, что из-за эффекта Рамзауэра-Таунсенда происходит относительное увеличение эффективной частоты столкновений фотоэлектронов с атомами, что сопровождается существенным увеличением коэффициента поглощения. Для полуограниченной плазмы, находящейся в постоянном магнитном поле и взаимодействующей с импульсом лазерного излучения, дан вывод кинетического уравнения, позволяющего описывать низкочастотные движения электронов. Решение кинетического уравнения получено с учётом зеркального отражения электронов от поверхности плазмы. Используя это решение найдены нелинейные по полю низкочастотные токи. Найдена напряжённость ТГц поля генерируемого нелинейными токами. Показано, что максимальное значение генерируемого поля достигается при циклотронной частоте порядка произведения квадрата плазменной частоты и длительности лазерного импульса. Показано, что влияние столкновений электронов на генерацию ТГц излучения проявляется в относительно слабом магнитном поле, когда циклотронная частота электронов меньше плазменной частоты. Исследованы спектральные и энергетические характеристики ТГц импульса в зависимости от угла падения и длительности p-поляризованного лазерного излучения, а также плотности электронов плазмы. Предсказано заметное увеличение энергии ТГц сигнала при полном отражении лазерного импульса от границы плазмы. Показано, что этот эффект особенно ярко выражен при падении лазерного импульса ультракороткой длительности под малыми углами на околокритическую плазму в условиях редких соударений электронов. Исследовано возбуждение ТГц поверхностной моды при падении двухчастотного s- и p-поляризованного лазерного излучения на полуограниченную плазму. Показано, что тогда, когда разность частот лазерных полей совпадает с частотой поверхностной моды, происходит значительное увеличение амплитуды электромагнитного поля поверхностной волны. Исследовано влияние внешнего магнитного поля на релятивистские нелинейные колебания и волны в плоской одномерной геометрии. Показано, что при учете внешнего магнитного поля ленгмюровские колебания трансформируются в медленную необыкновенную волну. При этом скорость волны увеличивается с ростом внешнего постоянного поля, что способствует выносу энергии из первоначальной области локализации колебаний. По этой причине, начиная с некоторого порогового значения внешнего магнитного поля, эффект опрокидывания уже перестает наблюдаться, то есть формируется глобальное по времени гладкое решение. Изучена пространственная структура фурье-образа поля квазицилиндрической волны, возбуждаемой при воздействии на проводник фемтосекундного импульса, сфокусированного в полосу лазерного излучения. Во всех областях пространства над поверхностью проводника, кроме ближней зоны, установлены аналитические зависимости фурье-образа поля от координат, физических характеристик лазерного импульса и проводника. Выявлены области пространства, в которых поле квазицилиндрической волны доминирует над полем поверхностной волны. Предложено кинетическое описание динамики сильно неравновесных электронов металла и изучено влияние электрон-фононной релаксации на вынос тепла из скин слоя. В результате выполнения Государственного задания была выполнена работа по исследованию различных режимов работы нового источника протонов с линейным инжектором и оптимизация работы системы перезарядки пучка. Для улучшения работы вакуумной системы был выбран и отработан оптимальный режим работы инжектора с параметрами напряжения каскадного генератора 550 кВ и использованием молекулярного азота с давлением 1.5 атмосферы. Данный режим характерен высокой интенсивностью захваченного кольцом синхротрона протонного пучка, удовлетворительной загрузкой вакуумной системы ускорительного комплекса, а также стабильностью работы инжектора. Создана и исследована новая конфигурация гибридного Х-пинча на установке БИН (270 КА, 100 нс) в качестве источника излучения для многокадровой рентгенографии. Получен точечный источник (пятно ≈3 мкм) рентгеновского излучения с разнесением в пространстве и разделением по времени генерации импульсов (20-50 нс, каждая вспышка длительностью <1 нс). Исследовано ВУФ излучение взрывающихся тонких алюминиевых фольг и проволочек с временным и пространственным разрешением. На основе сопоставления расчетных и экспериментальных данных электронная температура составляет Те = 55 – 75 эВ, ионная плотность Ni = (3 – 8)×1020 см-3 в зависимости от стадии процесса. При этом мощность излучения достигает 100 МВт для фольги и 50 МВт для проволочной нагрузки. Исследовано рассеяние зондирующего лазерного излучения на продуктах электрического взрыве молибденовых проволочек в воздухе. Полученные данные показывают, что в исследованиях по ЭВП фактор рассеяния на микрочастицах (капли Mo 70-100 нм) должен обязательно приниматься в расчёт при анализе результатов теневого и интерферометрического зондирования. Измерения распределения жесткого излучения с помощью линейной сборки коллимированных детекторов в начальной стадии лабораторного атмосферного высоковольтного разряда показали их сложный пространственно-временной характер. Показано наличие областей преимущественной генерации в приэлектродных областях разрядного промежутка. Обнаружена характерная временная группировка (последовательные серии) импульсов жесткого излучения. Получены новые результаты по динамике неидеальной плазмы на основе наносекундного вакуумного разряда. Изучены особенности генерации рентгеновского излучения в межэлектродной полидисперсной среде наносекундного вакуумного разряда. Экспериментальные исследования наносекундного вакуумного разряда с борированным Pd анодом показали возможность осуществления реакций синтеза p-B с регистрируемым выходом быстрых α-частиц. Рассмотрены особенности первичного пробоя в диэлектрическом барьерном разряде в воздухе атмосферного давления, обусловленные различными механизмами рождения затравочных электронов. Разработаны высокоэффективные техники обработки результатов интерферометрической и лазерной теневой съёмок сложноструктурированных фазовых объектов с учётом аппаратной функции оптической системы. Техники используются для получения надежных данных об изменениях сдвига фазы и интенсивности зондирующего излучения, на основе которых возможно решение обратных задач дифракции/рассеяния с целью восстановления параметров исследуемого объекта. На основе лазерной зондирующей диагностики установлено, что токовый канал высоковольтного атмосферного разряда формируется с внутренней микроструктурой, имеющей пространственные масштабы порядка 40¬-100 мкм и сохраняющейся в течение продолжительного времени (более 400 нс при общей длительности разряда 1 мкс). Микроструктура проявляется неоднородным распределением показателя преломления внутри токового канала, что соответствует неоднородному распределению плотности плазмы и температуры. Исследована пространственная и временная локализация источников радиоизлучения высоковольтного атмосферного разряда в диапазоне 0.25–6 ГГц с помощью анализа сигналов оптимизированных сверхширокополосных антенн. Получены распределения источников радиоизлучения, свидетельствующие о нескольких основных областях генерации излучений в лавинной и стримерной стадиях развития разряда, что может быть связано с особенностями морфологии плазменных каналов разряда в различные моменты времени. Проанализирована динамика стримерообразования по кадровой регистрации УФ-излучения стримерно-лидерной стадии протяженного разряда с наносекундным временным разрешением. За отчетный период подготовлено 41 публикация в высокорейтинговых рецензируемых научных журналах, индексируемых в системах WoS, Scopus и РИНЦ, 10 статей в сборниках конференций и 1 программа для ЭВМ.