Физические закономерности взаимодействия сильноточного электронного пучка с веществом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ6 ОД

9 'Г!о г,

«I I ни О

На правах рукописи

ВАЛЬЧУК ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ

ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИЛЬНОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА С ВЕЩЕСТВОМ

специальность 01.04.20 - Физика пучков заряженных частиц

и ускорительная техника.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ТОМСК - 1993

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Работы по взаимодействию сильноточных электронных пучков (СЭП) с веществом начались в связи с появлением и интенсивным развитием ускорителей электронов, обеспечивающих в импульсном режиме мощности до 10^ Вт при амплитуде тока до единиц мегаампер и напряжении до десятка мегавольт. В настоящее время СЭП применяются для генерации СВЧ колебаний, накачки мощных злектроионизационных лазеров, генерации импульсов тормозного излучения, создания высокоплотных возбуждений в твердом теле. На основе применения электронных потоков стали возможными новые технологические процессы, связанные с изменением физико - химических свойств материалов.

Воздействие СЭП на вещество сопровождается сложными физическими процессами образования плазменного факела, генерации волн напряжений в объеме мишени, изменения пространственного распределения функции энерговыделения вследствие воздействия на перенос электронов пучка макроскопических электромагнитных полей и изменения тормозной способности вещества.

Вследствие сложности процесса взаимодействия электронного пучка с веществом, в настоящее время еще не все экспериментально наблюдаемые факты имеют удовлетворительное объяснение. К ним относятся, например, аномальное торможение электронов пучка в тонких фольгах и генерация тока во внешней цепи при замыкании разлетающейся плазмой промежутка мишень - коллектор.

При моделировании процесса взаимодействия СЭП с веществом не до конца выяснена роль таких факторов, как воздействие магнитного поля на перенос, увеличение тормозной способности вещества при высоких температурах, роль градиентов термодинамических величин в образующейся неидеальной пучковой плазме. В настоящее время отсутствуют также расчеты по формированию волн напряжений для пучков с потоком мощности 10^ - 10*0 Вт/см^ , хотя ведутся интенсивные работы по их использованию для технологических

термодинамического состояния среды.

2) Пакет программ TREL1 (Transport of Electrons), позволяющий рассчитывать функционалы потока электронов для источника с произвольным энергетическим и угловым спектром в многослойных мишенях с произвольным химическим составом.

3) Пакеты программ, позволяющие моделировать воздействие электронных пучков на многослойные металлические мишени с учетом гидродинамического разлета плазмы, генерации упрутопластических волн в плоской (BETAIN1 (Beam-Target Interaction)), а также с учетом формирования магнитного поля и его воздействия на перенос частиц в двумерной (BETAIN2) геометрии.

4) Расчеты параметров генерируемых волн напряжения в зависимости от характеристик пучка в области потока мощности 10° - юю Bt/cmz .

5) Результаты исследования роли различных механизмов в формировании магнитного поля в мишени в зависимости от' параметров мишени и пучка.

6) Исследование эффекта увеличения энерговклада в тонкую мишень на основе численного моделирования, учитывающего формирование магнитного поля, гидродинамический разлет мишени и воздействие магнитного поля на перенос электронов пучка.

7) Объяснение механизма генерации тока во внешней цепи при замыкании пучковой плазмой промежутка мишень - коллектор.

Научная новизна. Разработан метод интегрирования уравнения движения частиц в неоднородных нестационарных электромагнитных полях при наличии неупругих потерь и рассеяния на основе метода разделения по физическим процессам и аналитического решения полученных уравнений на шаге интегрирования, позволяющий использовать больший временной шаг по сравнению с традиционно используемыми схемами интегрирования уравнений движения.

Выполнены систематические исследования генерации упрутопластических волн в мишени в зависимости от характеристик импульсного электронного пучка в области

могут быть использованы для интерпретации и планирования экспериментов. Полученные результаты по формированию волн напряжения в двуслойных мишенях дают возможность варьировать амплитуду и ширину импульса напряжения в необлучаемой части мишени при неизменном источнике пучка электронов. ,

Апробация.

Основные результаты работы докладывались, на 1— и 2— Всесоюзных конференциях "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск 1988, Свердловск 1991); на Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике'(Томск 1984, 1988; Свердловск 1990); на Всесоюзных конференциях по физике плазмы (Звенигород 1988,1990) ; на 8 международной конференции ВЕАМ'б-90 (Новосибирск, 1990), на 3 международной конференции по физике высоких плотностей энергии (г.Кыштым, 1992).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь печатных работ.

Структура и объем работы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

В первой главе диссертации приводится обзор экспериментальных и численных работ по теме исследования. На его основе делается вывод, что в настоящее время накоплено большое количество экспериментальных результатов, не все из которых имеют удовлетворительное объяснение. Например, явление увеличения энерговклада в тонкую фольгу при взаимодействии с ней СЗП, генерация плазменного тока во внепшей цепи при замыкании пучковой плазмой промежутка мишень - коллектор, не до конца ясна роль образующейся плазмы в генерации упругопластических течений в мишени. Существующие численные расчеты не учитывают всех процессов, происходящих при воздействии СЭП на вещество.

Метод прошел тестирование на задачах о движении заряженных частиц в полях различной конфигурации в вакууме. Приведены тестовые расчеты, демонстрирующие хорошее согласие при вычислении функции энерговыделения в веществе при наличии электромагнитных полей с результатами, полученными другими методами.

В главё проведен анализ тормозной способности вещества в широком диапазоне температур и плотностей, которые реализуются при воздействии мощных потоков электронов на материалы. Тормозные свойства среды рассматриваются для условий, когда пучковая неустойчивость не развивается. Критерий этих условий получен из соотношения: Vei > 8 , где v. - частота электрон-ионных столкновений в плазме, 8- инкремент роста пучковой неустойчивости. Для пучка с плотностью тока _/(Ь) пучковую неустойчивость можно не учитывать, если:

/b4p<ecni(\6/3V2)(yJmpy (1)

где ni - концентрация ионов в плазме, Шр -

плазменная частота. Для реальных пучков с указанными энергиями и плотностью тока до десяти мегаампер на квадратный сантиметр условие (1) нарушается при концентрациях, меньших 10^

Полные потери в плазме на единицу массовой длины можно представить в виде суммы:

(l/p)(dE/dx) = S = Si+Sf+Sp + Sr (2)

где Sj = (1/p)(dE / ¿¿с), - ионизационные потери,

Sy = (1 / p)(dE / dx)j- - потери на свободных электронах, Sp = (1 /p){dE /dx)p - потери на возбуждение плазменных колебаний,

Sr = (1 /p)(dE / dx)r - радиационные потери, р - массовая плотность плазмы. В главе приведена методика расчета каждого из слагаемых формулы (3), отличающаяся от опубликованных другими авторами простотой при сохранении точности.

Расчет тормозной способности горячего вещества по формуле (2) производился с использованием данных по степени ионизации, полученых без учета ионизации пучком.

угла экранирования путем замены входящей в него длины экранирования на дебаевский радиус.

На рисунках 2а, 26 представлены рассчитанные на один падающий электрон распределения поглощенной энергии электронов с начальной энергией 1 Мэв в меди и алюминии в зависимости от глубины мишени ( в массовых толщинах ) при температурах 10 и 100 эв и плотности, равной 1СГ*/?0(р0 - плотность соответствующего металла при нормальных условиях). С увеличением температуры и при уменьшении плотности максимум функции энерговыделения растет и соответственно уменьшается глубина проникновения электронов. Этот результат объясняется возрастанием суммарных потерь энергии электрона в плазме. Обращает на себя внимание тот факт, что для металла с меньшим зарядом ядра изменение глубины проникновения более заметно, поскольку рассеяние в нем сказывается меньше. На металле же с большим зарядом ядра сильнее сказывается увеличение полной энергии, поглощенной в мишени, поскольку отраженные от мишени электроны имеют меньшую энергию.

Рис.2а Рис.2б

Третья глава диссертации посвящена исследованию динамических явлений в облучаемой мишени и в разлетающейся плазме. Расчеты ведутся на основе метода, предложенного Яловцом А.П. для интегрирования гидродинамических уравнений, позволяющего вместе с

При повышении плотности энерговыделения агрегатное состояние вещества в зоне энерговыделения изменяется. Поскольку отрицательные напряжения могут существовать только в твердотельной части мишени, амплитуда и ширина импульса разрежения уменьшаются. Начиная с некоторой плотности энерговыделения импульс разрежения исчезает и форма импульса становится однополярной (рис.Зб). При дальнейшем увеличении плотности тока пучка образуется плазменный факел, оказывающий давление на поверхность металла. В результате возрастает ширина импульса сжатия.

Увеличение длительности импульса более 100 не не обязательно ведет к возрастанию амплитуды и ширины импульса сжатия - при медленном вводе энергии в вещество оно успевает разгружаться и давление в нем падает.

На рис. 4 приводятся результаты исследования зависимости амплитуды генерируемого импульса напряжения от плотности тока пучка и энергии электронов для двух различных металлов, облучаемых импульсным пучком с длительностью импульса 100 не.

Рис.4 Рис.5

Видно, что при повышении плотности тока амплитуда импульса сжатия растет сначала линейно, а затем линейность нарушается. Нарушение линейности связано с тем, что за время действия пучка вещество в зоне энерговыделения

в перераспределение температур в пучковой плазме. Увеличение энергии падающих частиц не приводит к изменению температуры плазмы, поскольку уменьшение мощности энерговыделения при увеличении энергии частиц компенсируется увеличением времени разгрузки сжатого вещества из-за возрастания его объема.

Характерной особенностью распределения массовой плотности плазмы является наличие большого градиента в узкой области. Поле массовой скорости в плазме имеет вид линейной от координаты зависимости. В данном случае имеется аналогия с автомодельным решением задачи о разлете газа в пустоту.

Для расчета коэффициентов переноса такой плазмы следует применять модели неидеальной плазмы. Использование данных по степени ионизации и коэффициентам переноса ( Волков Н.Б., Немировский А.З. // Препринт,- Свердловск.- УрО АН СССР,- 1990.- 55 с.) совместно с настоящими расчетами позволило найти распределения степени ионизации и проводимости пучковой плазмы.

Относительно низкая температура факела и его высокая плотность приводит*' к преобладанию реком-бинационных процессов, что ведет к низким значениям эффективной степени ионизации. Уменьшение концентрации свободных электронов в пучковой плазме приводит к снижению ее проводимости на 4-5 порядков в сравнении с исходной проводимостью. Степень ионизации и проводимость в твердотельной части мишени несколько возрастают из-за ионизации среды давлением при прохождении волны сжатия.

В четвертой главе исследуются термоэлектрические процессы в облучаемом веществе. Исследование ведется на основе решения обобщенного феноменологического закона Ома и уравнений Максвелла. Закон Ома записывается в следующей форме:

Ё = ](р)/ сг+ V ¡л / е + оЯТЧ [](р)в] / епе (3)

где ¡л - химический потенциал электронов проводимости среды в расчете на одну частицу ; ОС - коэффициент термо-э.д.с.,

• ). 1 & £= СР, ~ <Ра + ©(Ь) ) - ®(Г) &) - №. > - М** )] / * -

полная э.д.с. плазмы, Б - площадь пучка частиц.

Расчеты, проведенные для режима "холостого хода ", когда внешнее, сопротивление гн много больше сопротивления плазмы показали, что величина э.д.с. растет во времени до некоторого стационарного значения. Стационарное значение э.д.с. для медной плазмы составляет 19 В.

Как видно из (4) величина э.д.с. определяется главным образом изменением химпотенциала А/Л = ¡л{т.а) — ) и

величинои термо- э.д.с.

Знак А¡Л в рассматриваемой

геометрии всегда положительный. Знак термо-э.д.с. 0(Г) зависит от знака градиента температуры. Поэтому в общем случае, в зависимости от знака величина э.д.с.

неоднородной плазмы может принимать значения, либо превышающие Ац, либо меньшие, чем А[X.

На рисунке 7 приведено распределение электрического потенциала в пучковой плазме. Видно, что основной областью генерации э.д.с. является узкая область. В этой области массовая плотность изменяется на порядок, а температура среды составляет ~ 10 К. Поскольку 0, то плазма генерирует ток, направленный против тока пучка.

Проведенные расчеты показали, что увеличение плотности тока или энергии частиц слабо влияет на величину э.д.с. Этот результат объясняется тем, что увеличение плотности тока пучка приводит лишь к смещению области генерации э.д.с. к концу пробега частиц. Увеличение энергии падающих частиц, как было показано в главе 3 также не меняет термодинамических параметров среды, а следовательно и величины э.д.с.

Полученные результаты позволяют дать объяснение эксперименту (Бурмакин В.А., Попов В.К. // ФХОМ.- 1973.-N6,- с.5-137.). по регистрации потоков заряженных частиц в зоне взаимодействия пучка электронов с металлом.

Далее в главе детально исследуются Механизмы формирования магнитного поля в мишени под воздействием

Роль того или иного механизма в формировании магнитного поля в проводящей среде определяется геометрией мишени, ее термодинамическим состоянием и параметрами пучка.

С целью выяснения роли различных механизмов в процессе формирования магнитного поля в мишени в главе проведены модельные численные исследования для мишеней различных плотностей, температур и размеров. Как следует из уравнеия (5), диффузионные процессы преобладают над конвективными при шь < Уе1, где шь, Уе1 - ларморовская частота и частота столкновений для плазменных электронов. Для плотной плазмы, образующейся при воздействии на металл пучков даже с максимальными плотностями тока, достигнутых в экспериментальных работах, это условие выполняется. В работе приводятся результаты расчетов, которые демонстрируют для этого случая различные скорости установления поля при а>г(Ь) и а<Г(6). Обычно же время установления поля определяется обеими процессами.

При облучении СЭП предварительно созданной плазмы возможна ситуция, при которой выполняется условие шь > Уг1, когда плазменные электроны оказываются замагниченными. Расчеты показали, что в этом случае, если толщина мишени меньше пробега электронов, возможна ситуация ( на которую было указано впервые в :Кингсеп А.С., Чукбар К.В., Яньков В.В. //Вопросы теории плазмы.- М..- Энергоатомиздат.- 1987.- в.16) когда магнитное поле в области г < Г^ проникает в мишень с тыльной стороны мишени, поскольку плазменные электроны движутся противоположно электронам пучка. Что касается роли термо-э.д.с. в формировании магнитного поля, то она всецело зависит от того, реализуются ли в мишени неколлинеарные градиенты температуры и коэффициента термо-э.д.с.. Такие условия могут возникнуть на границе пучка, где есть радиальный градиент температуры и градиент концентрации плазмы вдоль направления падения пучка. Численные расчеты, проведенные в работе, позволили заключить, что изменение магнитного поля за счет термо- э.д.с. доходит до десяти процентов.

В заключении главы представлены результаты моделирования воздействия СЭП на тонкую металлическую

пучка на вещество. Основные результаты, полученные в диссертации, заключаются в следующем:

1) Разработан эффективный метод расчета переноса электронов в веществе при наличии макроскопического электромагнитного поля на основе разделения по физическим процессам и аналитического решения уравнений движения на шаге интегрирования.

2) Создан пакет программ ТЛЕЫ, позволяющий рассчитывать функционалы потока электронов с произвольным энергетическим спектром и формой импульса тока в многослойных мишенях с произвольным химическим составом. Благодаря быстродействию метод может применятся в расчетах нестационарных воздействий. Гладкость. получаемых функционалов дает возможность использовать их непосредственно, без дополнительного сглаживания при расчетах гидродинамических параметров мишени.

3) Разработаны пакеты программ, позволяющие моделировать воздействие электронных пучков на многослойные металлические мишени с учетом гидродинамического разлета плазмы, генерации волн напряжения, формирования магнитного поля и его воздействия на перенос частиц в плоской (ВЕТАШ1) и в двумерной (ВЕТАШ2) геометрии.

4) Получены закономерности изменения параметров генерируемых волн напряжения в зависимости от характеристик пучка в области потока мощности 10® - Ю10 Вт/см2. Показано, что использование двуслойных мишеней позволяет модифицировать амплитуду и ширину генерируемого импульса при неизменном источнике пучка.

5) Исследована роль различных механизмов в формировании магнитного поля в мишени в зависимости от параметров мишени и пучка.

6) На основе численного моделирования показано, что увеличение энерговклада СЭП в тонкую металлическую мишень является следствием гидродинамического разлета мишени, формирования в ней магнитного поля и воздействия магнитного поля на перенос электронов пучка.

7) Объяснен механизм генерации тока во внешней цепи при замыкании пучковой плазмой промежутка мишень - коллектор

Подписано в печать 20.12.93. Тираж 100 экз. УНПЦРМ г.Челябинск.