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

Тема Плана Научно-исследовательских работ Государственного задания ФИАН № 0023-2019-0006 представляет собой комплексное экспериментально-теоретическое исследование в области физической электроники, физики плазмы, пучков заряженных частиц и источников вакуумного ультрафиолета и рентгеновского излучения. Работы выполнялись в Отделе физики плазмы ФИАН, лабораториях Отделения ядерной физики и астрофизики ФИАН, и Физико-техническом центре ФИАН. Успешное выполнение работ по данному направлению предусматривало развитое сотрудничество с ведущими Академическими институтами – Институт электрофизики УрО РАН (ИЭФ УрО РАН) и Институт сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН), Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН) и Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), что отражено в совместных публикациях. Цель проекта - проведение исследований в области физической электроники, физики плазмы, металлов, полупроводников, 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 Теоретически (аналитически и численно) исследованы условия убегания электронов в газовом диоде с лезвийным катодом, обеспечивающим сильно неоднородное распределение электрического поля в межэлектродном промежутке. Показано, что характер убегания электронов качественно отличается для катодов с разным радиусом закругления кромки. В случае относительно большого радиуса кромки (сотни микрон и более) условия перехода электронов в режим убегания носят локальный характер: они определяются распределением поля в непосредственной близости от катода, где они генерируются. Здесь достигает максимума относительный вклад силы трения, действующей на электроны в плотном газе. Такое поведение в целом аналогично поведению электронов в однородном поле. Для катода с сильно заостренной кромкой (десятки микрон и менее) относительный вклад силы трения максимален в прианодной области. Вследствие этого условие убегания приобретает нелокальный характер: оно определяется динамикой электронов во всем межэлектродном промежутке. Предложена теоретическая интерпретация переходного режима между вакуумным ускорением взрывоэмиссионного пучка электронов и убеганием электронов в газе, для которого ранее в экспериментах были одновременно получены и большой ток (≈2 кА), и малая длительность (≈200 пс) слаборелятивистского (>100 кэВ) пучка. Объяснены причины, вследствие которых при давлении p > 0.5 торр амплитуда тока начинает нарастать, и увеличивается в 1.5 раза до максимальной ≈2800 A при p = 3 торр. Предложенная модель развития ионизационных процессов в остаточном газе показала, почему дальнейшее повышение давления (p > 3 торр) приводит к спаду амплитуды и длительности тока, но вплоть до p = 5 торр пучок электронов с длительностью ≈200 пс остаётся сильноточным. Для инициирования эмиссии такого пучка достаточно автоэмиссионных электронов с катода. Сильное однородное магнитное поле Bz позволяет преобразовать расходящийся поток убегающих электронов в атмосферном промежутке с коническим катодом в параксиальный пучок длительностью ~10 пс. Получена и теоретически интерпретирована зависимость поперечной структуры сгустка от Bz. Энергия электронов в максимуме функции распределения достигает 200 кэВ. Типичные заряд и ток сгустка составляют 0,1 нКл и 10 А, соответственно. При Bz = 4,3 Тл пиковая плотность тока, усредненная по центральной части сгустка диаметром 0,7 мм, превышает 0,65 кА/см2. Это наибольшее значение, достигнутое на сегодняшний день для потоков убегающих электронов в протяженных воздушных промежутках с резко неоднородным электрическим полем. Проведено численное моделирование динамики образования микрократера при микровзрывных процессах на электроде в зависимости от температуры микроострия на электроде. Показано, что при температуре микроострия, близкой к температуре плавления, в центре микрократера образуется зона с повышенной температурой, где материал находится в жидком или смешанном (жидкость плюс газ) состоянии. В течение короткого времени после взрыва микровыступа эта зона с большой скоростью распространяется вглубь электрода. В результате образуется кратер микрометрового размера с полостью в его центральной части. Микрократеры такой формы возникают на электродах, подвергшихся лазерному, пучковому и плазменному воздействию. Построена модель, связывающая параметры плазмы, создаваемой вакуумным дуговым электрическим разрядом, и параметры вещества материала катода. Модель учитывает (1) протекание электрического тока через обрывающуюся жидкометаллическую струю, (2) эволюцию электронной и ионной температур с конечным временем e-i релаксации, (3) уравнение Саха для среднего заряда ионов в плотной слабонеидеальной плазме. Три оценки критической температуры и соответствующей энергии связи, полученные согласно нашей модели из экспериментальных измерений параметров плазмы катодного пятна вакуумной дуги – кинетической энергии ионов, их среднего заряда и катодного падения потенциала для сплавов Nb-Al различного компонентного состава, дают близкие величины. Получены V-образные зависимости вместо линейной интерполяции. Обнаружено увеличение коэффициента поглощения в условиях, когда положение точки критической плотности близко к границе области постоянной плотности неоднородной плазмы, образованной при многофотонной ионизации инертных газов. Изучено проникновение греющего импульса квазистационарного электромагнитного поля в плазму, находящуюся в направленном вдоль поверхности постоянном магнитном поле. Ослабление переноса тепла электронами поперек магнитного поля приводит к более эффективному нагреву электронов у поверхности плазмы. Вследствие этого ухудшается проникновение поля в плазму, что сопровождается подавлением «обратного» скин-эффекта. Неоднородный нагрев электронов поперек магнитного поля приводит к генерации компоненты электрического поля, ортогональной, как магнитному полю, так и направлению градиента температуры. Появление дополнительной компоненты поля приводит к изменению поляризации поля отраженного импульса. Исследовано влияние внешнего магнитного поля на нерелятивистские нелинейные колебания и волны в плазме в цилиндрической геометрии. Показано, что при учете внешнего магнитного поля ленгмюровские колебания трансформируются в медленную необыкновенную волну, которая выносит энергию из первоначальной области локализации колебаний. По этой причине, начиная с некоторого порогового значения внешнего магнитного поля, эффект опрокидывания перестает наблюдаться, то есть формируется глобальное по времени гладкое решение для плотности электронов. Построена математическая модель влияния аксиального тока в плазме на цилиндрические нерелятивистские нелинейные колебания. Результатом согласованного взаимодействия электромагнитных полей и частиц является трансформация плазменных колебаний в нелинейную бегущую волну, скорость которой увеличивается с ростом силы тока, что способствует выносу энергии из первоначальной области локализации колебаний. По этой причине эффект опрокидывания реализуется существенно позже во времени, то есть наблюдается стабилизация колебаний. Изучена генерация низкочастотных поверхностных и квазицилиндрической волн за счет градиента давления электронов, возникающего при неоднородном нагреве металла импульсом сфокусированного лазерного излучения. Тогда, когда частоты столкновений электронов в поле лазерного импульса и в низкочастотном поле близки друг к другу, поле квазицилиндрической волны оказывается доминирующим на любых расстояниях от полосы фокусировки. Дано детальное описание пространственной структуры поля квазицилиндрической волны. В случае сильного различия частот столкновений электронов имеется область доминирования поверхностной волны. При этом эффективность ее генерации выше, чем генерация за счет пондеромоторного воздействия. Показано, что оптимальные условия генерации ТГц излучения реализуются при циклотронной и плазменной частотах электронов сравнимых с обратной длительностью лазерного импульса. Выявлено, для каких параметров легированного GaAs и ИК-импульса можно наблюдать ТГц импульс, содержащий в хвосте колебания из-за распространения необыкновенной волны. Теоретически исследовано воздействие двухчастотного p-поляризованного лазерного излучения на слой околокритической плазмы и показано, что плотность потока энергии ТГц моды может значительно превышать интенсивность излучения лазера. Этот эффект имеет место за счет значительного усиления p-поляризованного лазерного поля в плазме при падении под углом полного отражения, а также резонансного возбуждения собственной ТГц моды при совпадении ее частоты с разностью частот лазерных полей. Показано, как закономерности генерации ТГц излучения зависят от длительности лазерного импульса и соотношения между циклотронной и плазменной частотой электронов. В каждом из рассмотренных режимов, найдены спектральный состав, форма импульса и приходящаяся на единицу площади полная энергия генерируемого ТГц излучения. Установлено, что оптимальные условия генерации реализуются при длительности лазерного импульса сравнимой с обратной частотой плазменных колебаний и при циклотронной частоте электронов меньшей плазменной частоты. Тогда, когда циклотронная частота превосходит плазменную выявлена возможность повышения частоты генерации до частот сравнимых с циклотронной. Проведено сравнение интенсивностей двух типов черенковских волн, возникающих при движении уединенного вихря вдоль джозефсоновского сандвича. Эти волны возникают в хвостовой части вихря или излучаются в глубь среды, окружающей сандвич. Определены скорости вихря, при которых доминирует один из этих двух типов волн, возбуждаемых по черенковскому механизму. Для излучающего джозефсоновского сандвича, окружённого диэлектрической средой, для параметров системы и в области волновых чисел, для которых существует ветвь возбуждений, которая близка к джозефсоновской моде, изучена диаграмма направленности излучения этой ветви. За отчетный период подготовлено 42 публикации в высокорейтинговых рецензируемых научных журналах, индексируемых в системах WoS, Scopus и РИНЦ.