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 целью исследований являлось формирование интенсивных потоков ускоренных электронов, для генерации когерентного электромагнитного излучения большой импульсной мощности. Пробои электродинамических систем и нестабильность электронных пучков менее критичны для больших пиковых мощностей когерентного СВЧ излучения при нестационарной генерации. Это связано с субнаносекундной длительностью импульсов СИ и электронных пучков (единицы наносекунд и короче). Расстояние разлёта плазмы из катодных факелов в режиме ВЭЭ за единицы наносекунд незначительно (<100 мкм), отсутствуют проблемы заполнения канала ЗС коллекторной плазмой. В режиме СИ достижима конверсия мощности пучка в импульс излучения с коэффициентом >1. В миллиметровом диапазоне длин волн за счёт оптимизации схем генераторов и режимов удаётся получать импульсы СИ мощностью >2 ГВт (f ≈ 30 ГГц, ), >150 МВт ( f ≈ 90 ГГц,) и >50 МВт ( f ≈ 140 ГГц,). Здесь f - частота колебаний. В развитие исследований рассматривается возможность увеличения тока пучка в КДМИ в течение наносекундного ускоряющего импульса. Времени для заметного разлёта плотной ВЭЭ плазмы с катода недостаточно и ключевую роль должны играть ионизационные эффекты в остаточном газе. Изменения тока должны были наблюдаться при давлениях больших, чем диапазон 10-3-10-4 торр . Альтернативным вариантом получения мощных ЭМИ радиочастотного и СВЧ диапазона может быть питание антенн цугом колебаний, возбуждаемых бегущим импульсом напряжения (ТЕМ-волной) в нелинейной передающей линии. В разделе описаны следующие результаты: (1) Был обнаружен максимум мощности генерации пикосекундных импульсов сверхизлучения релятивистской лампы обратной волны диапазона 38 ГГц. Получила развитие концепция мощных широкополосных СВЧ излучателей с питанием антенн от источников на основе гиромагнитных нелинейных линий. Показано, что сильное однородное магнитное поле позволяет преобразовать расходящийся поток убегающих электронов в параксиальный пикосекундный пучок, пиковая плотность тока которого превышает 0,65 кА/см2. (2) Было показано влияние поперечной структуры, крутизны фронтов тока и длительности сгустка на форму сигнала пикосекундных сгустков убегающих электронов. Испытаны нелинейные гиромагнитные коаксиальные линии с разными материалами ферритов. (3). Представлены результаты расчёта генерации черенковского сверхизлучения 8-мм диапазона с мгновенной мощностью на фронте электронного пучка до 50 ГВт для перспективы возбуждения колебаний с мгновенной мощностью в 3.5 раза превышающей мощность пучка при коэффициенте передачи ≈35%. Времяпролётными оценками энергии магнитоизолированных сгустков убегающих электронов продемонстрирована возможность управления энергией этих сгустков путем изменения геометрии, материала катодов и длины промежутка катод-анод. Комплексное исследование зависимости гиромагнитных процессов модуляции СВЧ колебаний показало их корреляцию со свойствами и условиями возникновения спиновых волн. Показаны условия получения эффективной генерации Обнаружен эффект вторичной модуляции с эффективной частотой на порядок превышающий частоту основной модуляции. ---Во втором разделе отчета объектом исследования являются силовые кремниевые приборы с ударно-ионизационным механизмом переключения и ферритовые линии магнитной компрессии энергии, работающие на основе твердотельного SOS+MCL-подхода. Цель работы состоит в исследовании пространственной неоднородности переключения полупроводниковых приборов в проводящее состояние, а для устройств SOS+MCL-подхода в исследовании условий достижения минимальной длительности импульса, соответствующей максимальной выходной пиковой мощности, а также в установлении факторов, определяющих максимальную выходную мощность импульсной системы. Исследования проводятся экспериментальными методами и методами численного моделирования. Исследован процесс переключения силовых кремниевых приборов – диодов и тиристоров - в проводящее состояние волной ударной ионизации, возбуждаемой импульсом перенапряжения с субнаносекундным фронтом. В экспериментах на приборы подавался импульс обратного напряжения, обеспечивающий среднюю скорость нарастания напряжения dU/dt в диапазоне 1−10 кВ/нс. Численное моделирование показало, что расчетные и экспериментально наблюдаемые осциллограммы напряжения на приборах имеют количественное согласие в том случае, когда величина активной площади полупроводниковой структуры, через которую проходит ток переключения, возрастает с увеличением скорости роста напряжения dU/dt. Показано, что при dU/dt < 1-2 кВ/нс активная площадь стремится к нулю, а при dU/dt > 10 кВ/нс приближается к полной площади структуры. На основе SOS+MCL-подхода (SOS – генератор с полупроводниковым прерывателем тока, MCL – линия магнитной компрессии энергии) разработана сверхмощная твердотельная пикосекундная импульсная система. SOS-генератор формирует начальный импульс мощностью 8.5 ГВт (0.65 МВ на нагрузке 50 Ом) и длительностью 7 нс, который подается на вход магнитного компрессора, содержащего 4 последовательно соединенные линии MCL1–MCL4. На выходе последней линии, MCL4, пиковая мощность импульса возрастает до величины 100 ГВт (2.2 МВ на нагрузке 48 Ом), а его длительность снижается до 100 пс. Реализованы рекордно высокие значения скорости нарастания напряжения, тока и мощности. На нагрузке 48 Ом скорость роста напряжения достигает значения 27 МВ/нс, а мощности – 2 ТВт/нс. В линии с импедансом 7 Ом получен импульс тока с амплитудой 100 кА и скоростью нарастания 1.18 МА/нс. Показано, что процесс усиления мощности в MCL может происходить не за счет сжатия импульса во времени, что характерно для классического режима усиления мощности, а за счет перетекания энергии из одного участка входного импульса в другой. Также установлено, что длительность выходного импульса на полувысоте для каждой ступени компрессии энергии определяется временем двойного пробега электромагнитной волны между электродами линии в поперечном направлении. ---В третьем разделе отчета описаны исследования, которые предполагали создание физических моделей, проведение компьютерного моделирования, разработку экспериментальных методик и проведение экспериментальных исследований электрического разряда и предпробойных явлений в вакууме. Основные задачи, поставленные в рамках проекта, выполнены. Разработана двумерная осесимметричная модель развития тепловой и электрогидродинамической неустойчивости в жидкометаллической струе, образующейся на границе катодного кратера. Модель включает в себя описание взаимодействия поверхности струи с плазмой катодного пятна вакуумной дуги в рамках модели бесстолкновительного катодного слоя объемного заряда. Проведен самосогласованный расчет гидродинамики и нагрева струи с учетом поверхностного тока и теплового потока. Показано, что тепловая неустойчивость основания струи является возможным механизмом образования новых ячеек катодного пятна на границе кратера. Проведено многофакторное исследование влияния параметров вакуумного разряда на поверхности тонкого медного эмиттера радиусом 25 30 мкм на его на эмиссионные свойства. Эмиттеры были подвергнуты вакуумным дуговым разрядам субмикросекундной длительности с амплитудой тока в диапазоне десятков ампер. На разных этапах эксперимента измерялся локальный коэффициент усиления поля эмиттере и производилось исследование поверхности эмиттера методом сканирующей электронной микроскопии. Показан рост характерных размеров объектов микрорельефа и коэффициента усиления поля с увеличением тока разряда. 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 вблизи фронта плазмы в зависимости от ее плотности, температуры и напряжения между границей плазмы и внешней границей расчетной области. В результате моделирования получены зависимости плотности тока электронов на внешней границе расчетной области от приложенного напряжения и параметров плазмы. При помощи спектрометра Томсона исследован зарядовый состав плазмы дуги с током от 2 до 125 А, инициируемой на катоде из олова. Обнаружено, что 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 рамках разработанной двумерной кинетической модели Монте-Карло была исследована динамика потока электронов с заданными начальными параметрами вблизи конического анодного микровыступа высотой 10 мкм. Величина макроскопического электрического поля вблизи микровыступа без учета его коэффициента усиления варьировалась от 50 кВ/см до 1 МВ/см. Показано, что в вакууме и азоте атмосферного давления для электронов с энергиями порядка 5 кэВ и выше увеличение плотности тока электронов на анодном микровыступе относительно начальной плотности тока не превышает нескольких десятков процентов. На основе двумерной гибридной модели сильноточной дуги был осуществлен расчет пространственных распределений концентрации плазмы, температуры электронов и средней зарядности ионов с учетом экспериментально измеренных параметров вакуумной дуги и конфигурации разрядного промежутка. Сравнение расчетного спектра зарядности ионов с полученным экспериментально на времяпролетном спектрометре показало их хорошее совпадение. Кроме того, сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных позволило объяснить генерацию в плазме пинча ионов с зарядностью 10+ и выше. Разработана и испытана экспериментальная методика измерения тока автоэлектронной эмиссии в субнаноамперном диапазоне, вплоть до 0,1 пА. Для измерения тока эмиссии ниже 1 нА использовался метод зарядки конденсатора током автоэмиссии в течение некоторого фиксированного периода времени. В ходе испытаний удалось измерить ток эмиссии вплоть до ~0,2 пА. Методика может применяться для исследования автоэмиссионных свойств катодов с гладкой поверхностью, обеспечивающей протекание автоэмиссионного тока только в субнаноамперном диапазоне, а также для катодов с нестабильными эмиссионными свойствами. Для трубчатого катода диаметром 22 мм численно исследован транспорт ускоренных электронов через межэлектродный промежуток с неоднородными ускоряющим электрическим и фокусирующим магнитным полем для случая движения электронов в вакууме молекулярном азоте атмосферного давления. Показано, что как в вакууме, так и в азоте основными процессами, ограничивающими транспорт электронов через электродную систему, являются раскачка циклотронных осцилляций и эффект «магнитного зеркала». При этом в газе вероятность прохождения области неоднородного магнитного поля почти в два раза меньше, чем в вакууме. Проведено экспериментальное исследование влияния внешнего слоя с повышенной проводимостью на скорость проникновения волны нелинейной диффузии магнитного поля в материал при электрическом взрыве проводников. Показано, что задержка появления магнитного поля на внутренней поверхности трубчатого проводника увеличивается с 40 до 50 нс при нанесении слоя меди 10–20 мкм на титановую трубку. ---В четвертом разделе приведены результаты исследований энергетических потерь 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. Цель работы – создание опытных установок для проведения исследований в оптически непрозрачных средах, рентгеновского контроля качества, сортировки продукции, проведения экспериментов в области электрофизики. Результаты работы: Создан импульсный генератор ионизирующего 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; Разработана рентгеновская импульсная трубка, работающая в диапазоне напряжений от 85 кВ до 165 кВ и создан импульсный генератор ионизирующего излучения с регулируемым напряжением для малодозной импульсной системы компьютерной томографии. Создана импульсная рентгеновская установка с линейными детекторами для детектирования различных веществ четырехэнергетичным методом. Рекомендации по внедрению – разработки могут использоваться в качестве питающих устройств для взрывоэмиссионных рентгеновских трубок, создания генераторов рентгеновского излучения для проведения научных исследований, контроля динамически подвижных систем, как в одноэнергетичном, так и мультиэнергетичных режимах. Значимость работы – разработка частотных наносекундных рентгеновских комплексов совместимых с динамическими цифровыми системами регистрации излучения позволит существенно повысить быстродействие систем неразрушающего контроля продукции. Создание наносекундных рентгеновских комплексов с регулировкой выходного напряжения в широком диапазоне позволит существенно повысить возможности импульсных рентгеновских аппаратов, позволит осуществить переход к многомерным пространствам признаков при рентгеновском детектировании веществ. ---В шестом разделе отчета описаны следующие научные результаты: (1) Проведено исследование изменения свойств НП СaF2 после отжига и облучения наносекундным релятивистским электронным пучком. Установлен значительный рост УП необлученных НП CaF2 после отжига при температуре 200 0С, которая увеличении температуры отжига уменьшается. Облучение НП приводит к существенному росту УП, при этом для образца S400 увеличение составило более чем в 1,5 раза. При этом образцы НП, отожженные при различных температурах, до облучения показывают рост намагниченности для S200, а затем ее уменьшение для S400 и, практически исчезновение, для S900. Найдено восстановление и резкий рост намагниченности образца S900 облученного ПД 63МГр (в 6,6 раз), при этом облучение меньшей дозой привело к потере намагниченности. Для полученных НП найдена корреляции между УП и намагниченностью образцов. (2) РЕВЕ методом получены НП Bi2O3, легированного Ag, исследовано влияние отжига в диапазоне температур 200-750 ˚C на структурные, тепловые, текстурные, магнитные и фотокаталитические свойства этих НП. Образцы отожженные на воздухе, независимо от концентрации введенного серебра, оказались одинаковыми в структурном отношении. Кроме того, допирование Ag привело к существенному росту УП, в том числе и при отжиге и значительно повлияло на температуры фазовых переходов: температура кристаллизации аморфной фазы монотонно уменьшилась с 244 (чистый) до 2110С (5 wt% Ag). (3) Установлено, что чистые НП 2L Fhy могут быть синтезированы с помощью РХС, с достаточно высокой производительностью. При этом, для синтеза НЧ Fhy использовался только один прекурсор - нитрат железа (III). Продукт синтеза содержал пластинчатые мезопористые агрегаты произвольной формы, состоящие из квазисферических 2L Fhy частиц размером менее 2 нм c хорошими текстурными параметрами (объем пор ~0.02 см3/г) перспективных для биомедицинских применений. (4) Разработан экранированный MК катод с несколькими MК пластинами для формирования широкого электронного пучка при сохранении угла падения электронов на мишень близкого к перпендикулярному. Катод позволяет существенно увеличить импеданс ВД и формировать электронный пучок постоянного размера с распределение плотности пучка электронов на аноде в пределах погрешности дозиметрического метода ≤ 15%. (5) Метод импульсного электронного испарения был успешно применен для синтеза НП Si-SiO2 в форвакуумных условиях из недорого коммерческого микронного порошка SiO2. РФА анализ показал присутствие нанокристаллов кремния с кубической структурой в синтезированном продукте. Продукт испарения имел волокнистую структуру. Удельная поверхность НП Si-SiO2 (35 м2/г) была почти в 40 раз больше SSA исходного порошка SiO2, а объем пор НП почти в 50 раз превосходил объем порошка. HRTEM и DSC-TG анализы прямо подтвердил присутствие кристаллических квазисферических наночастиц Si размером в несколько нанометров в НП Si-SiO2.Нанопорошок Si-SiO2 показал высокую антиоксидантную активность, зависящую от размеров и концентрации наночастиц в суспензии. Физико-химические характеристики синтезированного НП показывают его перспективность в различных биомедицинских приложениях. ---В седьмом разделе отчета описаны, проведенные измерения времени продвижения фронта проводящего канала пробоя и его зависимости от величины межэлектродного расстояния в образцах нескольких жидких диэлектриков при использовании импульсов напряжения до 140 кВ с фронтом не более 0,5 нс. Длительность процесса пробоя образцов разных веществ в таких условиях лежит в интервале 1-20 нс. На основании этих данных определены скорости распространения проводящего фронта пробоя. Впервые получены корреляционные зависимости скорости продвижения процесса ионизации вещества для режима старта процесса пробоя с положительного электрода от длины линейных карбоцепных молекул. Получены оценки зависимости проводимости вещества плазменного канала от времени его развития для образцов перфторэйкозана, трансформаторного масла и воды и её возрастания за время продвижения канала. Вероятный механизм наблюдающегося роста проводимости ионизованного вещества в канале пробоя – увеличивающаяся ионизация плазмы электронами, ускоряемыми к аноду. Генерация свободных носителей в сильном электрическом поле перед фронтом проводящего канала и зависимость скорости его продвижения от проводимости интерпретировались в рамках механизма каскадных оже-переходов в валентной зоне диэлектрика Разработан коаксиальный частотный импульсный плазменный двигатель ИПД50Вт с разрядной камерой из сегнетокерамики. Для исследования особенностей старта процесса поверхностного пробоя по сегнетокерамике измерены скорости распространения фронта пробоя на начальной стадии разряда с использованием генератора импульсов длительностью 30 наносекунд. Получены фотографии локальной формы свечения плазмы на поверхности сегнетокерамики в виде разветвлённой дендритной структуры, как типичной формы начального этапа пробоя по поверхности диэлектрика. Измерения расхода массы (порядка 0,1 мг/Дж) показывают хороший КПД ввода энергии в плазменный пучок, при этом в пучке регистрируется значительный (до 10%) вклад ионизованной фракции.