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

Основными задачами отчетного этапа научно-исследовательской работы являлись 1. Развитие концепции увеличения количества синфазных каналов релятивистских СВЧ генераторов с сильноточными пучками электронов. Получение и диагностика ультракоротких потоков быстрых электронов в газоразрядных промежутках с сильным электрическим полем и их роль в импульсном пробое. 2. Исследование возможности создания сверхмощных (мультигигаваттных) твердотельных генераторов и исследовании возможности переключения интегральных тиристоров в проводящее состояние в режиме волны ударной ионизации. Исследование проводится экспериментальными методами и методами численного моделирования. 3. Разработка теоретических моделей, проведение моделирования плазменных процессов в вакуумном электрическом разряде и экспериментов с килоамперной вакуумной дугой. 4. Исследование формирования мощных квазипрямоугольных импульсов в N-секционных сумматорах выполненных на отрезках коаксиальных линий с совмещенными радиальными входами. 5. Cоздание опытной установки для проведения исследованиий быстропротекающих процессов в оптически непрозрачных средах, промышленный контроль качества, сортировка продукции, перемещаемой по конвейерной ленте со скоростью до 10 м/с, с пространственным разрешением не хуже 2 п.л./мм. 6. Исследование возможности создания функциональных наноматериалов под воздействием мощного сильноточного пучка электронов. 7.Проведение систематических измерений энергии плазменного пучка, импульса механической отдачи, полного заряда ионной компоненты пучка и распределение её скоростей, массового расхода рабочего тела при наносекундных вакуумных разрядах по поверхности полимерных соединений с различным составом при уровне тока 3-5,5 кА. В отчете представлены методы исследований и результаты проведенных работ. Задачи этапа выполнены полностью. Первая часть отчета. Среди факторов, препятствующих стабилизации фазы излучения при возбуждении релятивистского СВЧ генератора с сильноточным пучком, основным кандидатом являются шумы этого пучка. Считалось, что они, в первую очередь, связаны с дискретной природой взрывной электронной эмиссии катода, однако мы показали, что регулярных по длительности флуктуаций тока на фронте пучка с графитового катода не наблюдалась вплоть до верхней границы полосы системы регистрации, достигавшей 60 ГГц. Таким образом, либо возможные флуктуации более высокочастотные, либо они возбуждают электромагнитный сигнал по мощности намного меньший по сравнению с излучением, возникающем на субнаносекундном фронте пучка. Такой широкополосный сигнал был зарегистрирован в реальном времени, и оказалось, что навязываемая им фаза СВЧ генерации релятивистской ЛОВ диапазона 37 ГГц может быть «перехвачена» внешним протяженным сигналом от магнетрона с мощностью >20 кВт. Это решает проблему синфазного возбуждения нескольких СВЧ генераторов, когда не нужна прецизионная синхронизация начала эмиссии нескольких катодов. Таким образом, на повестку дня встал вопрос о возможности использования в многоканальных системах нескольких драйверов сильноточных пучков с искровыми коммутаторами, синхронизируемыми с субнаносекундной точностью. Эксперименты показали, что разброс моментов включения двух ведомых ускорителей мог составлять 100 пс, если синхронизация коммутаторов осуществлялась расщеплённым пусковым импульсом с его преобразованием в спиральных гиромагнитных передающих линиях. В эксперименте использовались импульсы напряжения с темпом нарастания dU/dt 0.5 МВ/нс, а с помощью динамической рефлектометрии была показана роль быстрых электронов в ассистировании пробоя воздуха в коаксиальной воздушной линии. Увеличение dU/dt до 1.5 МВ/нс позволило с помощью специального разработанного датчика быстрых электронов зарегистрировать их поток рекордно малой длительности (не более 10 пс) при локализованной эмиссии из области вблизи острия конического катода. Проведено сравнение параметров импульсов электронного тока со случаем эмиссии, распределённой около кромки трубчатого катода. Вторая часть отчета. Объекты исследования – сверхмощные твердотельные генераторы нано- и субнаносекундного диапазона длительности импульса и силовые тиристоры, переключаемые в проводящее состояние волной ударной ионизации. Цель работы состоит в исследовании возможности создания сверхмощных (мультигигаваттных) твердотельных генераторов и исследовании возможности переключения интегральных тиристоров в проводящее состояние в режиме волны ударной ионизации. Исследование проводится экспериментальными методами и методами численного моделирования. В подходе по генерированию коротких сверхмощных импульсов исследован режим компрессии энергии импульса гиромагнитными нелинейными линиями с насыщенным ферритом (твердотельный SOS+MCL подход). При пиковой мощности входного импульса 6 ГВт (490 кВ, 40 Ом) длительностью ~7 нс, формируемого SOS-генератором, на выходе трехкаскадного компрессора получена пиковая мощность 54 ГВт (амплитуда импульса напряжения 1.62 МВ в линии с импедансом 48 Ом) при длительности импульса на полувысоте 170 пс. Скорость нарастания напряжения на фронте импульса составляет 14.7 МВ/нс, а скорость нарастания мощности – 0.7 ТВт/нс. Реализованные в субнаносекундном диапазоне длительности импульса величины пиковой мощности и скорости ее нарастания ранее не достигались. В подходе с полупроводниковыми коммутаторами исследован процесс переключения интегральных тиристоров в проводящее состояние волной ударной ионизации. Скорость нарастания напряжения при запуске тиристора составляла несколько кВ/нс. В этих условиях тиристор переходит в проводящее состояние за время 200-300 пс. При разряде накопителя с напряжением 10 кВ и энергией 300 Дж за время 1.5 мкс коммутатор обеспечивает протекание тока амплитудой 43 кА со скоростью нарастания 120 кА/мкс. В частотном режиме работы тиристор коммутировал накопитель с запасенной энергией 18 Дж, заряженный до напряжения 4.2 кВ. Коммутатор пропускал ток амплитудой 5.5 кА со скоростью нарастания 40 кА/мкс при длительности импульса1.5 мкс и частоте следования импульсов в режиме пачки до 1 кГц. Установлено, что эффективность работы коммутатора зависит от скорости нарастания запускающего напряжения и величины коммутируемой энергии и может достигать 98%. Третья часть отчета. Основными задачами отчетного этапа проекта являлись создание экспериментальных стендов, разработка экспериментальных методик и теоретических моделей, а так же проведение измерений и моделирования плазменных процессов в вакуумном электрическом разряде. Основные задачи, поставленные на отчетный период, выполнены. Проведено моделирование динамики формирования струи 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, наблюдаемому экспериментально. Показано, что одной из возможных причин появления анодного факела является поток энергии линейчатого излучения от межэлектродной плазмы к аноду. Проведено исследование перехода электронов в режим убегания в неоднородных электрических полях в различных газовых средах. Показана важная роль микрогеометрии катода в разрядных промежутках сверхвысокого давления. Полученные результаты важны при разработке сверхбыстрых разрядников высокого давления, а также при изучении процессов развития субнаносекундных импульсных разрядов в объемной форме. Разработана экспериментальная установка и методика по исследование параметров ионного потока плазмы сильноточной вакуумной дуги с током 5-10 кА и длительностью 12 мкс. Получены данные по пространственному распределению потока ионов и ионной эрозии электродов дугового источника плазмы. Показано, что поток ионов плазмы распространяется в широком телесном угле, имеет хорошую повторяемость от импульса к импульсу и от серии к серии, а ионная эрозия значительно выше, чем в дуговых источниках с токами до 1 кА. Четвертая часть отчета. Исследованы процессы формирования мощных квазипрямоугольных импульсов в N-секционных сумматорах выполненных на отрезках коаксиальных линий с совмещенными радиальными входами. Показано, что, при использовании сумматора с идентичными секциями и общим радиальным входом, на согласованной нагрузке (R=w) формируются квазипрямоугольные импульсы напряжением - Nu, с временами нарастания и спада - 2(N-1)τC+τRT , 2(N-1)τC+τFT, соответственно, где u - амплитуда квазипрямоугольного входного импульса, τRT - время нарастания напряжения входного импульса, τFT - время спада напряжения входного импульса, τC - электрическая длина секции, R - сопротивление нагрузки, w- волновое сопротивление секции . Разработана конструкция и демонстрационный образец генератора с сумматором на основе отрезков 50-ти омных коаксиальных линий и генератором входных импульсов на основе полевых транзисторов, формирующего на согласованной нагрузке квазипрямоугольные импульсы с параметрами: напряжение - до 25 кВ, длительности - до 500 нс, частота следования импульсов - до 1 кГц, длительностью фронта и спада (по уровню 0.1-0.9) - 100 нс. Пятая часть отчета. Объектом разработки данного этапа работы являются высоковольтные наносекундные установки для генерации рентгеновского излучения. Цель работы – создание опытной установки для проведения исследованиий быстропротекающих процессов в оптически непрозрачных средах, промышленный контроль качества, сортировка продукции, перемещаемой по конвейерной ленте со скоростью до 10 м/с, с пространственным разрешением не хуже 2 п.л./мм. Результаты работы – создан импульсный генератор рентгеновского излучения напряжением 320 кВ с отпаянной трубкой для комплексов непрерывного рентгеновского контроля потока объектов. 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. Рекомендации по внедрению – разработки могут использоваться для проведения научных исследований быстропротекающих процессов в оптически непрозрачных средах, промышленного контроля качества, сортировки продукции, перемещаемой по конвейерной ленте со скоростью до 10 м/с. Значимость работы – создание наносекундных рентгеновских комплексов с цифровой системой регистрации излучения для промышленности позволит существенно повысить быстродействие систем неразрушающего контроля продукции. Шестая часть отчета. C помощью испарения импульсным электронным пучком в вакууме получены мезопористые нанопорошки CaF2 с удельной поверхностью до 91.5 м2/г. Изучено влияние облучения релятивистским электронным пучком на воздухе на эволюцию их магнитных, и текстурных свойства наночастиц CaF2. Впервые обнаружено влияние отжига и облучения на удельную поверхность и намагниченность нанопорошков CaF2. Исследованный для доставки лекарств нанопорошок диоксида кремния, допированного диоксидом марганца SiO2-MnO2 был получен методом испарения импульсным электронным пучком в газе низкого давления (4Пa). Экспериментальные результаты показали необходимость индивидуального подбора способов внедрения и выпуска различных лекарств в структуру НП. Исследуемые НП обладают высокой загрузочной способностью 0,09 мг Амоксициллина на мг НП, 0,075 мг Доксорубицина на мг НП, что в пять раз превышает загрузочную способность химически синтезированного НП. Показана принципиальная возможность получения композитных частиц радиационно-химическим способом. Были получены частицы композитов в наноразмерном диапазоне (60-80нм) из оксида алюминия, частично покрытого серебром, процент покрытия составил 2-3% для частиц Ag50c+Al2O3и16-40% для частиц Ag+Al2O3. Установлена достаточно высокая эффективность способа получения композитных НЧ, а также возможность управления процессом осаждения и видом серебряного покрытия, обволакивающего оксид алюминия,путем изменения времени осаждения. В работе получен мезопористый кристаллический нанопорошок BaF2c удельной поверхностью до 34,8м2/г с помощью испарения импульсным электронным пучком мишеней из микронного порошка оптической чистоты. Изучены текстурные и термические особенности свойства прессовок изготовленных из нанопорошка BaF2 методами импульсного магнитного прессования и статического прессования. Методом импульсного магнитного прессования в вакууме при температуре около 425C получены стекловидные, непрозрачные прессовки черного цвета, перспективные для использования в качестве сцинтилляторов и дозиметров. Изучено влияние методов прессования на спектры импульсной катодолюминесцении и фотолюминесценции прессовок из нанопорошка BaF2. Седьмая часть отчета. Целью работы было провести систематические измерения энергии плазменного пучка, импульса механической отдачи, полного заряда ионной компоненты пучка и распределение её скоростей, массового расхода рабочего тела при наносекундных разрядах с током 3-5,5 кА в разрядной камере использованием в качестве рабочих тел полимерных соединений с различным составом, и анализ влияния различных теплофизических характеристик этих материалов на эффективность генерации плазмы как по среднемассовой скорости плазменного пучка так и по его энергии. В экспериментах развита и используется методика оперативного измерения полусферной диаграммы направленности потока массы плазменного пучка по увеличению массы набора небольших мишеней из фольги или слюды. Приведена таблица значений указанных параметров для токов разряда 2.8 и 5,5 кА. . Апертура плазменной ловушки-100х100 мм, расстояние до разряда (времяпролётная база) 60 см. Обсуждаются наблюдающиеся особенности пространственного разлёта разных компонент плазменного пучка в связи с выявлением механизма ускорения. Результаты используются для оптимизации условий разряда с целью повышения КПД мобильных плазмогенераторов, увеличения удельного импульса пучка в электрореактивных двигателях систем ориентации и снижения энергетической цены тяги.