Физика и техника мощных импульсных устройств, исследование и использование новых способов генерирования сильноточных электронных пучков и электромагнитных волн

Основные результаты исследований представлены в виде семи разделов отчета. ---В первом разделе отчета описаны работы по направлению «Генерация пикосекундных импульсов электромагнитного излучения элементами вакуумной и твердотельной электроники и их применение для фундаментальных исследований». При исследовании причин начального дефицита тока взрывоэмиссионного пучка определена область давлений остаточного газа в КДМИ, где с ростом тока за счёт газового усиления обнаружен максимум мощности генерации пикосекундных импульсов сверхизлучения релятивистской ЛОВ диапазона 38 ГГц. В случае «оптимального» тока СВЧ генератора (в вакууме) мощность излучения монотонно спадает из-за изменения тока и энергии пучка в диоде. Диапазоны давлений, где проявляются указанные эффекты, меньше тех, при которых взрывоэмиссионный механизм в КДМИ трансформируется либо в режим убегания электронов, либо возникает СВЧ пробой в замедляющей структуре. Получила развитие концепция мощных широкополосных СВЧ излучателей с питанием антенн ударного возбуждения от источников на основе гиромагнитных нелинейных линий с насыщенным ферритом. На примере одно- двух- и четырёхканальных генераторов высоковольтных импульсов продемонстрировано увеличение глубины амплитудной модуляции до 80-90%. В зависимости от амплитуды импульсов напряжения драйверов, систем обострения их фронта и количества каналов формировались цуги амплитудной модуляции с мощностями лидирующих пиков от 0.64 до 8 ГВт с эффективной частотой от 6.5 до 11.5 ГГц на различных частотах повторения. Определён диапазон электрических полей, когда возникает пробой в нелинейной линии. Показано, что сильное однородное магнитное поле позволяет преобразовать расходящийся поток убегающих электронов в атмосферном промежутке с коническим катодом в параксиальный пикосекундный пучок, пиковая плотность тока которого в центральной части сгустка рекордная и превышает 0,65 кА/см2. ---Во втором разделе отчета объектом исследования являлись ферритовые линии магнитной компрессии энергии, работающие на основе твердотельного SOS+MCL подхода. Цель работы состоит в исследовании условий достижения минимальной длительности импульса, соответствующей максимальной выходной пиковой мощности. Исследования проводятся экспериментальными методами и методами численного моделирования. В подходе по генерированию сверхмощных пикосекундных импульсов (SOS+MCL подход) исследованы условия, определяющие минимальную длительность генерируемого импульса и, соответственно, максимальную пиковую мощность. Установлено, что минимальная длительность импульса, формируемого ферритовой линией магнитной компрессии энергии, соответствует двойному времени пробега электромагнитной волны между электродами линии. В четырехступенчатом магнитном компрессоре достигнута мощность 87 ГВт (2.05 MВ, 48 Ом) при длительности выходного импульса 92 пс (FWHM) и времени нарастания 59 пс по уровню 0.2 – 0.9 от амплитудного значения при мощности входного импульса от SOS-генератора 6 ГВт (490 кВ, 40 Ом). Реализованы рекордно высокие значения скорости нарастания напряжения, тока и мощности, составляющие 29.5 МВ/нс, 0.74 МА/нс и 1.95 ТВт/нс, соответственно. ---В третьем разделе отчета исследования отчетного этапа предполагали создание физических моделей, проведение компьютерного моделирования, разработку экспериментальных методик и проведение экспериментальных исследований электрического разряда в вакууме. В теоретическом направлении разработана двумерная осесимметричная модель развития тепловой и электрогидродинамической неустойчивости в жидкометаллической струе, образующейся на границе катодного кратера. Проведен самосогласованный расчет гидродинамики и нагрева струи с учетом поверхностного тока и теплового потока в предположении квадратичного уменьшения концентрации плазмы от границы кратера. Согласно полученным результатам на начальном этапе формирования и нагрева струи доминирует нагрев за счет энергии потока ионов из плазмы катодного пятна. Показано, что при концентрациях плазмы на границе кратера Np0> 8•1019 см-3 в струе развивается тепловая неустойчивость, приводящая к нагреву области основания струи до критической температуры. Данный процесс может рассматриваться как механизм инициирования новых ячеек катодного пятна на границе кратера. Разработана самосогласованная 1D-3V (1 координата – 3 скорости) модель на основе метода «частица-в-ячейке» для исследования динамики электронов, эмитируемых расширяющимся полусферическим фронтом взрывоэмиссионной плазмы. Модель описывает процесс формирования виртуального катода в непосредственной близости от фронта плазмы в зависимости от плотности плазмы, ее температуры и напряжения между границей плазмы и внешней границей расчетной области. Получены зависимости плотности тока электронов на внешней границе расчетной области от приложенного напряжения и параметров плазмы. На основе двумерного осесимметричного численного моделирования плазменной струи вакуумной дуги в сильном внешнем аксиальном магнитном поле методом “частицы-в-ячейке” Показано, что вокруг относительно холодной (~5 эВ) сердцевины струи в магнитном поле формируется разряженная “шуба” с температурой электронов ~20 эВ, которая обеспечивает протекание азимутального тока, обеспечивающего сжатие струи в аксиальном поле. В экспериментах с вакуумной дугой исследовался зарядовый состав плазмы при помощи спектрометра Томсона с автоматической регистрацией и цифровой обработкой сигнала. Ток дуги варьировался в диапазоне от 2 до 125 А. Поведение зарядового состава ионов катодного материала в случае оловянного катода значительно отличалось от ранее исследованных материалов. Так, вместо снижения среднего заряда ионов с током дуги был обнаружен рост этого параметра. В плазме дуги при малых токах увеличивалась доля ионов Sn3+, а также появлялись ионы Sn4+, сигнал которых при токах разряда выше 40 А вообще не был заметен на фоне шумов. ---В четвертом разделе отчета рассматривается получение мощных высоковольтных импульсов путем суммирования парциальных импульсов, поступающих на радиальные входы суммирующей коаксиальной линии. Показано, что внутреннее расположение радиальных входов для ввода парциальных импульсов позволяет отказаться от использования изолирующих магнитопроводов. Даны конструктивные схемы таких сумматоров с независимыми и общим формирователями парциальных импульсов, приведены условия сложения парциальных импульсов в режиме бегущей ТЕМ волны. Рассмотрена реализация устройства заряда емкостных накопителей формирователей парциальных импульсов на основе умножителя напряжений, ориентированного на режим одиночных импульсов. Исследованы потери в зарядном устройстве на основе трансформатора Тесла, ориентированного на реализацию частотных зарядных режимов формирования, связанные с магнитными потоками в магнитопроводе, обеспечивающем связь его контуров. Предложена модификация канонической математической модели трансформатора Тесла, позволяющая учитывать эти потери. ---В пятом разделе отчета объектом разработки являются генераторы высоковольтных наносекундных импульсов. Работа нацелена на создание опытных установок для проведения исследований в оптически непрозрачных средах, промышленный контроль качества, сортировка продукции, проведения экспериментов в области электрофизики. Создан импульсный генератор рентгеновского излучения напряжением 700 кВ и энергозапасом первичного накопителя 400 Дж для опытной двухэнергетичной установки. Основные технические характеристики генератора: тип накопителя энергии - индуктивный с полупроводниковым прерывателем тока; тип рентгеновской трубки - взрывоэмиссионная с заземленным катодом; максимальное выходное напряжение - 700 кВ; анодный ток – 4 кА; длительность импульса излучения - 50 нс; доза за импульс на расстоянии 1,5 м от фокусного пятна – 15 мкГр; размер эффективного фокусного пятна – 2,5 мм; максимальная частота следования импульсов – 25 Гц;. ---Шестой раздел отчета содержит описание следующих результатов : Впервые обнаружено влияние отжига в разных средах и облучения на удельную поверхность и намагниченность нанопорошка CaF2, полученные методом испарения импульсным электронным пучком в вакууме с удельной поверхностью до 91.5 м2/г. Впервые установлено, что при наложении постоянного магнитного поля наблюдаются сдвиги максимумов спектров ФЛ для нанопорошка CaF2, GeO2, Bi2O3 и BaF2. При этом величины смещения максимумов существенно различаются для нанопорошков, и смещения максимумов направлены в противоположные стороны. Разнонаправленность смещения максимумов позволяет исключить возможность систематической погрешности при измерении. C увеличением магнитного поля от 0.1 до 0.15 Т, как правило, в спектрах появляется дополнительная полоса. Разработан метод измерения эффективности радиомодификации с использованием ферросульфатного дозиметра, включающий в себя оценку антиоксидантной активности радиомодифицирующего агента. Было исследовано влияние добавления наночастиц оксида церия в концентрации 100 мкг/мл на изменение поглощенной дозы, зарегистрированной ферросульфатным дозиметром, при облучении тормозным излучением дозами 25, 50 и 75 Гр. Доказана работоспособность предложенного метода. Измерение фотокаталитической активности нанопорошков TiO2 и ZnO-Zn показало наличие эффекта ускоренной фотодеструкции под действием УФ излучения у обоих соединений. Реакционная способность оказалась ниже, в сравнении с похожими экспериментами, однако фотокаталитическую активность нанопорошка TiO2 и ZnO-Zn можно увеличить, проводя эксперименты по легированию или отжигу данных нанопорошков. По результатам исследования можно сделать вывод, что наночастица оксида цинка ZnO-Zn проявляют более выраженные свойства как фотокатализатор и как радиомодифицирующий агент, по сравнению с наночастица оксида титана TiO2. По результатам экспериментальных исследований установлено, что в субмикросекундной области времен для поверхностного вакуумного изолятора с экранировкой поверхности диэлектрика формула Мартина не может быть использована. Поэтому в субмикросекундной области времен требуется применять поверхностный вакуумный изолятор других конструкций. ---В седьмом разделе отчета описаны экспериментальные исследования по изучению физических механизмов распространения процесса высоковольтного пробоя в веществах различных классов, и на их основе предложен и теоретически рассмотрен специальный вариант туннельного механизма ионизации атомов в линейных длинных молекулах с учётом оже-переходов в валентной зоне диэлектрика под действием наносекундных импульсов сильного электрического поля с крутым передним фронтом. В развитие ранее проводившихся работ по совершенствованию конструкций абляционных импульсных плазменных электродвигателей проведены экспериментальные работы по измерению тяговых характеристик нескольких макетов разрядных камер с использованием в качестве рабочих тел диэлектрических жидкостей. Разработана конструкция и изготовлен макет частотного разрядного блока импульсных плазменных двигателей малой тяги с жидким рабочим телом, с энерговводом в разряд порядка 100 мДж. Проведены прямые измерения импульса тяги макета при частоте следования разрядов до 400 Гц. Изготовлен магнитный масс - анализатор ионов в мощных плазменных пучках с использованием импульсного магнитного поля катушек Гельмгольца, и проведен анализ ионных компонент при поверхностном перекрытии образцов серы и кристаллического LiF.