Электроника больших мощностей: технические применения, генерация и преобразование электромагнитных волн

Отчет содержит 300 страниц, 7 разделов, 161 рисунок, 27 таблиц, 199 источников, 2 приложения. Актуальность проводимых научных исследований. Генераторы мощных высоковольтных коротких импульсов являются основой формирователей электронных пучков заряженных частиц и их ускорителей, источников плазмы и высокочастотных электромагнитных колебаний. В этой области Институт электрофизики имеет мировой приоритет, поскольку значительная часть используемой уникальной электрофизической аппаратуры разрабатывается и изготавливается в институте. Дальнейшее развитие таких генераторов открывает новые возможности проведения фундаментальных исследований, обеспечивает продвижение мощных импульсных генераторов и генераторов электромагнитных импульсов в практические области. Достижение пиковой мощности твердотельных генераторов выше 40 ГВт носит пионерский характер, поскольку такие устройства с высоким ресурсом отсутствуют как в России, так и за рубежом. Исследований недавно предложенного ударно-ионизационного переключения в полупроводниковых приборах ранее не проводилось. Электрический разряд в вакууме имеет широкое технологическое применение: вакуумно-дуговая переплавка используется для получения чистых металлов и сплавов, вакуумно-дуговые прерыватели тока массово используются в электроэнергетике для коммутации высоковольтных сильноточных цепей, вакуумно-дуговые источники ионов применяются для модификации свойств материалов, напыления покрытий с требуемыми характеристиками и т.д. При этом, несмотря на значительный прогресс, достигнутый в изучении вакуумного разряда, общепризнанной теории до сих пор не существует. Радиационная стерилизация является перспективным методом борьбы с микробиологической загрязненностью продуктов питания. Варьируя параметры источников излучения и режимы обработки можно обеспечить оптимизацию радиационной нагрузки на обрабатываемый объект и ее снижение для обслуживающего персонала. Широкие возможности в этом направлении предоставляют компактные электрофизические импульсные установки. Рентгеновская дефектоскопия была и остаётся одним из наиболее востребованных методов неразрушающего контроля, позволяющим устанавливать соответствие качества продукции, определение внутренней геометрии замкнутых сборочных узлов, проведение медицинского, антитеррористичекого и таможенного контроля. Переход на цифровые системы регистрации и внедрение 3D дефектоскопии значительно расширяет области применения. Основные итоги: Первый раздел отчета. Цель работы - исследование сверхбыстропротекающих процессов при возбуждении и развитии газовых разрядов в сильных электрических и магнитных полях и при генерации СВЧ импульсов. В процессе работы проведены теоретические и экспериментальные исследования, математическое моделирование процессов. В ходе выполнения НИР получены следующие научные результаты: Экспериментально показано, что СВЧ генерация релятивистской ЛОВ диапазона 37 ГГц может быть «перехвачена» внешним более длительным сигналом. Это решает проблему синфазного возбуждения нескольких СВЧ генераторов и использования нескольких драйверов сильноточных пучков, синхронизированными с субнаносекундной точностью. Достигнут разброс включения двух ускорителей до 100 пс. В схеме высокоградиентного ускорения на основе сверхизлучательной субгигаваттной ЛОВ диапазона 38 ГГц определено соответствие характеристик пучка в численной модели и в модельном инжекторе, показана возможность проводки сильноточного трубчатого пучка в магнитном поле, получена генерация 90 ГГц импульсов сверхизлучения с пиковой мощностью до 150 МВт в 2D-гофрированной замедляющей структуре. Исследована динамика активации взрывоэмиссионного катода; энергетических, пространственных и временных характеристиках электронных потоков в электродных промежутках при изменении остаточного давления газа, ускоряющего напряжения и внешнего магнитного поля. Отдельно исследованы эмиссионно-разрядные процессы в изоляции коаксиальной линии, развитие радиальных пробоев при передаче ультракоротких импульсов в широком диапазоне давлений газов от атмосферного до технического вакуума. Второй раздел отчета. Объекты исследования – твердотельные генераторы пикосекундного диапазона длительности импульса и линии магнитной компрессии энергии. Цель работы состоит в создании генератора пикосекундных импульсов для калибровки емкостных датчиков и исследовании процесса усиления мощности в линии магнитной компрессии энергии. Исследование проводится экспериментальными методами и методами численного моделирования. Разработан и исследован пикосекундный полупроводниковый генератор для калибровки емкостных делителей напряжения мегавольтного уровня. Генератор разработан в виде базового модуля, к которому подключаются дополнительные преобразователи формы импульса. В базовом модуле сначала с помощью полупроводникового прерывателя тока (SOS) а затем полупроводникового обострителя (SS) генерируется выходной импульс с плоской вершиной длительностью 2 нс и с фронтом 220 пс. Амплитуда – около 1 кВ на нагрузке 50 Ом. Дополнительный диодный обостритель генерирует импульс с фронтом 120 пс, плоской вершиной 500 пс и напряжением 850 В. Полупроводниковые обострители переключаются в проводящее состояние волной ударной ионизации. С помощью дополнительных преобразователей на нагрузке 50 Ом формируются импульсы длительностью 135-310 пс, фронтом 70-150 пс и амплитудой 130-480 В. Разработана 2-D модель для проведения численного моделирования процессов в ферритовых линиях магнитной компрессии энергии. Исследован процесс сжатия импульса до длительности 80 пс с увеличением его мощности до 80 ГВт. Показано, что в начале процесса компрессии энергии в форме импульса образуются два пика – вспомогательный пик и основной. Усиление мощности выходного импульса (основного пика) обусловлено процессом перетекания энергии в него из вспомогательного пика по мере движения пиков по линии. Исследован твердотельный SOS+MCL подход (SOS-генератор с линиями магнитной компрессии энергии MCL) по генерированию сверхмощных пикосекундных импульсов. Наиболее важная особенность подхода заключается в том, что в устройстве сжатия импульса отсутствуют какие-либо коммутирующие элементы – замыкающие или размыкающие. Усиление импульса по мощности и сжатие его во времени происходит автоматически в процессе прохождения импульса по линии. Численное моделирование показало, что возбуждение колебания в линии приводит к появлению в форме входного импульса двух пиков с близкой амплитудой. При этом процесс усиления импульса по мощности представляет собой процесс перетекания энергии из второго пика в первый пик (в основной импульс) по мере движения пиков вдоль линии. В эксперименте при пиковой мощности входного импульса 6 ГВт (490 кВ, 40 Ом) длительностью ~7 нс, формируемого SOS-генератором, на выходе четырехступенчатого компрессора получена пиковая мощность 77 ГВт (амплитуда импульса напряжения 1.93 МВ в линии с импедансом 48 Ом) при длительности импульса на полувысоте ~100 пс. Для генераторов электрических импульсов любых типов реализованы рекордно высокие скорости нарастания выходного напряжения (26 МВ/нс) и тока (0.5 МА/нс). Для твердотельных импульсных систем также получены рекордно высокие значения пиковой мощности (77 ГВт) и скорости ее нарастания (1.6 ТВт/нс). Третий раздел отчета. Исследования отчетного этапа предполагали создание физических моделей, проведение компьютерного моделирования, разработку экспериментальных методик и проведение экспериментальных исследований электрического разряда в вакууме. Разработан ряд теоретических моделей и экспериментальных методик для исследования вакуумного дугового разряда. Так в теоретическом плане проведено моделирование динамики формирования жидкометаллических струй в режиме «инерционного расплескивания», когда жидкость движется по инерции лишь под действием капиллярных сил. Показано, что механизм отрыва капли от струи обусловлен развитием в перетяжке капиллярной неустойчивостью Релея–Плато. На основе разработанной гибридной модели сильноточной вакуумной дуги (СВД) проведено самосогласованное моделирование нагрева анода при размыкании электродов с развитием СВД в течение полуволны синусоидального тока частотой 50 Гц. В процессе моделирования получено образование анодного плазменного факела, который наблюдается экспериментально. Показано, что одной из возможных причин появления анодного факела является поток энергии линейчатого излучения от межэлектродной плазмы к аноду. Разработана модель и проведено численное моделирование сильноточной вакуумной дуги со средней катодной плотностью тока порядка 105 А/см2. Показано, что в этом случае поверхность катода может достигать температуры значительно выше точки кипения. В этом случае испарение с поверхности катода вносит значительный вклад в катодную эрозию в дополнение к эрозии с катодных пятен. Резкое увеличение эрозии катода приводит к уменьшению средней скорости в плазменной струе и, как следствие, к еще более резкому увеличению массы плазмы в межэлектродном промежутке. Результаты моделирования хорошо согласуются с результатами экспериментов по измерению массы плазменного лайнера, накачиваемого вакуумно-дуговой плазменной пушкой для последующего сжатия Z-пинча. Исследована зависимость среднего заряда и зарядового состава ионов катодного материала вакуумной дуги от величины тока разряда с отсечкой поток от начальных фаз разряда. Обнаружено, что при токах дуги близких к 100 А зарядовые распределения ионов близки к известным данным, а при уменьшении тока средний заряд ионов катодного материала заметно снижается. Это снижение обусловлено уменьшением доли многократно ионизованных частиц и увеличением доли однократно ионизованных. В сравнении с предыдущими измерениями показано, что этот эффект не является результатом влияния плазмы начальных фаз разряда. Важными параметрами, определяющими изменение зарядового состава, являются величина разрядного тока и отчасти доля ионов водорода в плазме дуги. Впервые проведены компьютерные эксперименты по двумерному кинетическому моделированию плотной плазмы катодного пятна вакуумного разряда, образующейся в результате эрозии катода, с использованием методов частиц в ячейках и методов Монте–Карло. Подобное моделирование способствует детальному изучению начального состояния прикатодной плазмы катодного пятна вакуумной искры или дуги. Показаны два принципиально разных решения для расширяющейся плазмы во внешнем электрическом поле в двумерном варианте. Первое решение – «тихий» разлет плазмы при относительно малом токе. В данном случае возникают только ионно-звуковые токовые неустойчивости, не приводящие к катастрофическим последствиям. Во втором случае ток достаточно большой, чтобы возбудить неустойчивость Бунемана, после чего плазменный сгусток распадается, и ионы с относительно высокими энергиями разлетаются в сторону анода и катода. Четвертый раздел отчета. Исследованы процессы формирования мощных прямоугольных импульсов в N-секционных сумматорах, выполненных на отрезках коаксиальных линий с совмещенными радиальными входами. Показано, что при использовании сумматора из идентичных секций с одинаковыми волновыми сопротивлениями (W) и общим радиальным входом, на который подаются импульсы с плоской вершиной напряжением - u, на согласованной нагрузке (R=W) формируются импульсы с плоской вершиной напряжением - Nu, с временами нарастания и спада - 2(N-1)τC+τRT , 2(N-1)τC+τFT, соответственно, где u - амплитуда входного импульса с плоской вершиной, τRT - время нарастания напряжения входного импульса, τFT - время спада напряжения входного импульса, τC - электрическая длина секции, R - сопротивление нагрузки, W - волновое сопротивление отрезков. Предложена конструкция и демонстрационный образец генератора с сумматором на отрезках 50-омных коаксиальных линий и источником входных импульсов на основе емкостных накопителей и транзисторных ключей. Предложен переход от канонической схемы генератора импульсов Фитча на основе двойных формирующих линий и сосредоточенного сумматора («Stacked coaxial-line generator») к схемам с распределенными сумматорами, выполненными на отрезках коаксиальных линий. Предложены конструктивные исполнения этих схем, сформулированы условия реализации в них режимов согласованного суммирования. Даны аналитические оценки длительности фронтов, спадов и амплитуд выходных импульсов в согласованных и рассогласованных режимах суммирования. Показано, что, при использовании сумматора с линейным нарастанием волнового сопротивления секций с шагом 2W и общим радиальным входом, на который подаются импульсы с плоской вершиной напряжением - u, на любой нагрузке (R), также формируются импульсы с плоской вершиной напряжением - Nu, с временами нарастания и спада - (N-1)τC+τRT, (N-1)τC+τFT, соответственно, где τRT - время нарастания напряжения входного импульса, τFT - время спада напряжения входного импульса, τC - электрическая длина секции, R - сопротивление нагрузки, W - волновое сопротивление формирующих линий, N - число суммирующих секций. Предложена схема быстрой токовой накачки короткозамкнутых двухсвязных линий и ее применение для создания генераторов мощных прямоугольных импульсов с использованием прерывателей тока. Дана пространственно-временная динамика токов и напряжений в секционированной коаксиальной линии в процессе её накачки от источника постоянного напряжения (E) через радиальные входы, установленные на стыке секций. Показано, что, в процессе накачки линии током, напряжение на её участках находится в диапазоне: [E/2, -E/2]. Рассмотрена реализация генератора на основе 50-омной коаксиальной линии. Рассмотрена динамика тока в линии при её накачке от емкостных накопителей. Рассмотрена возможность повышения средней мощности электронных пучков, формируемых взрывоэмиссионными катодами под действием мощных квазипрямоугольных импульсов в релятивистских ЛОВ генераторах, за счет разделения коллекторов и микроволновых выходов. С этой целью проведены экспериментальные исследования по оценке влияния продольных щелей в коническом дифракционном выходе трехсантиметровой релятивистской ЛОВ с рабочей модой ТМ01, совмещенном с коллектором электронов. Экспериментально показано, что замена сплошного дифракционного выхода на подобные ему пластинчатый или проволочный волноводы слабо влияет на рабочие характеристики ЛОВ. При этом переход от сплошного коллектора к продольно-щелевому позволяет уменьшить объем коллекторной плазмы и микрочастиц, образующихся на поверхности дифракционного выхода под действием электронного пучка, улучшить их адсорбцию и удаление. Пятый раздел отчета. Объектом разработки являются генераторы высоковольтных наносекундных импульсов. Цель работы – создание опытных установок для проведения исследований в оптически непрозрачных средах, промышленный контроль качества, сортировка продукции, проведения экспериментов в области электрофизики. Результаты работы: Создан импульсный генератор рентгеновского излучения напряжением 320 кВ с отпаянной трубкой. Основные технические характеристики рентгеновского генератора: максимальное напряжение: 320 кВ; длительность импульса излучения: 25 нс; импульсная мощность дозы на расстоянии 500 мм от фокусного пятна: 40 Гр/с; максимальная частота следования импульсов: 1000 Гц; тип накопителя энергии: индуктивный с полупроводниковым прерывателем тока; тип рентгеновской трубки: взрывоэмиссионная с металлодиэлектрическим катодом. Создан частотный импульсный генератор напряжением 500 кВ и энергозапасом первичного накопителя 200 Дж. Основные технические характеристики генератора: максимальное выходное напряжение - 500 кВ; длительность импульса напряжения - 80 нс; максимальная частота следования импульсов - 100 Гц; тип накопителя энергии: индуктивный с полупроводниковым прерывателем тока. Создан импульсный генератор ионизирующего излучения напряжением 700 кВ и энергозапасом 200 Дж для опытной установки. Основные технические характеристики генератора: максимальное выходное напряжение - 700 кВ; длительность импульса излучения - 50 нс; максимальная частота следования импульсов - 60 Гц; тип накопителя энергии: индуктивный с полупроводниковым прерывателем тока. Рекомендации по внедрению – разработки могут использоваться в качестве питающих устройств для взрывоэмиссионных рентгеновских трубок, создания генераторов рентгеновского излучения для проведения научных исследований быстропротекающих процессов в оптически непрозрачных средах, контроля динамически подвижных систем. Значимость работы – создание частотных наносекундных рентгеновских комплексов совместимых с динамическими цифровыми системами регистрации излучения позволит существенно повысить быстродействие систем неразрушающего контроля продукции. Шестой раздел отчета. Приведены результаты разработки новых электрофизических технологий на основе импульсных пучков электронов. Методом PEBE получены НП CaF2 с УП до 91.5 м2/г. Изучено влияние облучения электронным пучком на воздухе на эволюцию их магнитных, и текстурных свойства НЧ CaF2. Впервые обнаружено влияние отжига и облучения на удельную поверхность и намагниченность НП CaF2. Получен НП BaF2 c УП до 34,8м2/г с методом PEBE. Изучены текстурные и термические особенности свойства прессовок изготовленных из НП BaF2 методами импульсного магнитного прессования и статического прессования. Облучение микронного образца BaF2 привело к образованию в нем НЧ Ba и появлению суперионнопроводимости при 400 0С, которая отсутствовала в необлученном образце. Методом PEBE получен НП Bi2O3 с УП 23 м2/г. Исследовано влияние отжига порошка (200-300 0С) на воздухе. Обнаружено образование дроплетов размером 2-5 нм на поверхности всех крупных НЧ, составляющих каркас 3D агломератов НП, вследствие экструзии жидкого висмута из объема при охлаждении. Исследованный для доставки лекарств НП SiO2-MnO2 был получен методом PEBE. НП обладают высокой загрузочной способностью. Впервые обнаружено влияние постоянного магнитного поля на фотолюминесценцию НП, полученных методом PEBE. Наблюдаются сдвиги максимумов спектров фотолюминесценции для Al2O3 - в желтую область (14 нм), а СеО2 - в красную (50 нм). Получены радиационно-химическим способом НП серебра с УП до 39,1 г/см2, а также композита на основе оксида алюминия, покрытые серебром, состоящим из НЧ размером 50 и 80 нм. Изучены антибактериальные свойства композита на винных дрожжах, бактериях E. coli и S. aureus. Установлено, что управлять эмиссионными свойствами МК катода возможно посредством изменения геометрической формы МК пластины и ее высоты. МК катод устойчиво работает при ~0,1 Па. Приведены результаты разработки основ технологий поверхностного облучения различных продуктов: яиц и кормов для птицеводства. Начаты опытно-промышленные испытания технологической линии. Предложено для контроля факта и дозы радиационной обработки куриных яиц использовать ЭПР спектрометрию скорлупы. Установлено, что метод имеет высокую достоверность, так как регистрация спектра ЭПР куриных яиц возможна даже при поглощенных дозах от 1 Гр. Седьмой раздел отчета. Целью работы было провести систематические измерения массово-го расхода рабочего тела, импульса механической отдачи, полного заряда ионной компоненты пучка и распределение её скоростей и энергии плазменного пучка, возбуждаемого при линейных наносекундных разрядах в диапазоне токов 2-5,5 кА в вакуумной разрядной камере и использованием в качестве рабочих тел сегнетоэлектрических керамик с различным составом, и диэлектрических материалов класса карбоцепных полимеров. Проведён анализ влияния различия теплофизических характеристик этих материалов на эффективность генерации плазмы как по среднемассовой скорости плаз-менного пучка так и по его энергии. В экспериментах измерены диаграммы направленности как ионной компоненты пучков так и потоков нейтральной массы с использованием методики оперативного измерения полусферной диаграммы направленности потока массы плазменного пучка по увеличению массы большого числа мишеней из фольги или слюды, развитая в наших предыдущих работах. Приведена таблица значений указанных параметров для токов разряда 2.8 и 5,5 кА. Апертура плазменной ловушки, использованной при регистрации ионных токов, -100х100 мм, расстояние до разряда (времяпролётная база) 60 см. Обсуждаются наблюдающиеся особенности пространственного разлёта разных компонент плазменного пучка и их зависимость в контексте обсуждения различных выявленных механизмов ускорения. Как одно из технических применений приведены результаты использования в процессе оптимизации условий разряда с целью повышения КПД и снижения массы мобильных плазмогенераторов на твёрдых рабочих телах и увеличения удельного импульса пучка в электрореактивных двигателях систем ориентации и снижения энергетической цены тяги.