Формирование и транспортировка интенсивных квазистационарных электронных пучков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ



* • Я)

Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина

На правах рукописи

НОВИЧКОВ Димитрий Николаевич

ФОРМИРОВАНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ИНТЕНСИВНЫХ -. КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ 'ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ

01.04.08 - Физика и химия плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1993

Работа выполнена во Всероссийском электротехническом институте им. В.И. Ленина. !' ''!,-.

Официальные оппоненты' -

доктор физико-мамматических наук, чяен-корр] ;РАН, профессор ;.|>1еШКОВ . ; ;■

доктор физико-математических наук,с>н.с. Кулешов Г.Д.

доктор Технических наук, с.н.с Завьялов М.А.

■ Ведущая организация

- Московский радиотехнический институт РАН.

Защита диссертации состоится " 16 " -¿¿<2/3¿УС^ 1993 г.; в ч!/ часов на заседании Специализированного Совета Д143.04.01 при ВЭИ им. В.И.Ленина по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, 12.

С диссертацией можно ознакомится, в библиотеке ВЭИ им. В.И. Ленина.

Автореферат разослан " " ФЫр^Р&^А 1993 г.

Ученнй секретарь Специализированного Совета

к.т.н. С. Соболева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Из всех известных к настоящему времени способов создания мощных потоков энергии наиболее эффективный базируется на формировании и транспортировке концентрированных потоков заряженных частиц. В их ряду электронные пучки представляются наиболее заманчивыми в силу простоты их получения. Известны устройства, обеспечивающие формирование электронных пучков наносекундной длительности с энергией в единичном импульсе до Ю5 + Ю6 Дж (или с плотностью мощности до Ю*4 Вт/см2), что недостижимо никакими другими способами. В последнее время большой интерес проявляется к квазистационарным, длинноимпульсным пучкам с тем же масштабом энергии в единичном импульсе ~ 10^ Дж/имп, что характеризуется следующими параметрами: энергия - порядка мегаэлектронвольт, ток - | порядка килоампер и длительность импульса - до нескольких сот | микросекунд.

Использование квазистационарных пучков расширяет разнообразие физических явлений," возникающих при взаимодействии пучков с различными средами, включая такие процессы как зарядовая компенсация, взаимодейстзие с ионами, тепло- и массопе-ренос и различные неустойчивости, проявляющиеся при взаимодейН ствии пучка| с плазмой. !

| Актуальность разработки ускорителей юазистационарных 1 .1 интенсивных электронных пучков определяется возмокностью их 1 I использования в таких бурно развивающихся областях, как ваку- | и умная и плазменная СВЧ-электроника, плазмохимия, электронно-

лучевая технология, рентгенография. Обсувдаются программы использования интенсивных релятивистских электронных пучков (РЭП) для промышленной передачи энергии на сверхдальние расстояния, для создания сверхмощных накопителей анергии, источников магнитных полей, электронно-лучевщс вентилей и размыкателей тока. Помимо сугубо практических применений использование квазистационарных РЭП позволяет более детально разобраться в физике процессов ускорения ионов, космического зондирования, мощных электрических разрядов в атмосфере, солнечного ветра, космического излучения.

Однако традиционные способы формирования квазистационарных интенсивных РЭП на известных принципах столкнулись с не— преодолимыми трудностями как физического, так и технического _ характера.

Цель работы -• логическое и экспериментальное обоснование новых методов формирования интенсивных квазисгационарных электронных пучков и их использования .для транспортировки потоков энергии. Для достижения намеченной цели основное внимание в работе уделено решению следующих задач.

1. Рассмотрение принципиальных особенностей транспортировки энергии заряженными электронными пучками. ,

2. Исследование динамики интенсивных РЭП в процессе зарядовой компенсации.

3. Поиск оптимальных путей формирования квазистационарных интенсивных РЭП с предельной компрессией.

4. Разработка конструктивных и технологических решений при ■создании полномасштабного макета ускорителя квазистационарного концентрированного потока электронов.

5. Экспериментальные исследования различных аспектов транспор-' тировки энергии электронными пучками. !

Метод исследования. Использован комплексный путь реше- 1 ния поставленных задач, включающий в себя: анализ на простых [ физических моделях, аналитические и численные решения, экспе- | рименталыше исследования, их интерпретация и сопоставление | полученных результатов с модельный рассмотрением. Эксперимен- : тальные и расчетные результаты воплощались в конструктивные , ' решения создаваемых макетов и исследовательских комплексов. |

— При проведении физических экспериментальных исследований ис- "1 пользовались взаимно дополняющие методики. Численные расчеты I выполнялись на ЭВМ о применением самостоятельно разработанных | алгоритмов и с использованием стандартных программ расчета электронно-оптических систем.

Достоверность результатов подтверждается соответствием теоретичес'ких и экспериментальных исследований, использованием дублирующих методик измерения основных параметров пучков и плазмы, сопоставлением полученных результатов с литературными данными.

Научная новизна результатов исследований и выводов опре-__деляется тем, что впервые:

1. Предложен метод анализа равновесных состояний заряженного электронного пучка в адиабатически медленно изменяющемся магнитном поле и в системах с переменной степенью компенсации, основанный на рассмотрении диаграмм состояния. Представленный анализ позволяет рассмотреть процессы адиабатического ускорения,торможения, компрессию, согласование равновесных состояний при.вводе и выводе пучка в ускорительную трубку, а также соотношения составляющих энергии электромагнитного поля и кинетической энергии пучка в процессе их 1 транспортировки.

2. Логически обоснована и экспериментально реализована новая перспективная схема формирования интенсивных квазистационарных релятивистских электронных пучков, важнейшими составляющими которой являются: (а) плоский многопучковый инжектор, обеспечивающий низкоэмиттансный поток электронов с плотностью потока мощности на выходе - до Ю7 Вт/см , ! (б) компрессор, использующий формирование кроссовера в зоне квазинейтрального дрейфа под действием собственного маг-| нитного поля, (в) ускорительная трубка с магнитным сопро- 1 'вождением в соленоидальном -поле и в магнитно-периодической ! фокусирующей системе (МЩС), обеспечивающая увеличение анергии сформированного равновесного электронного пучка.

| 3. Создан надежно работающий полномасштабной макет сильноточ- ' I ного импульсного газонаполненного многопучкового ускорителя -СИША-05, обеспечивающий выходную энергию до 0,5 МэЗ,

— ток пучка до 0,5 кА при равновесном радиусе пучка на вы- . ходе до 0,5 см.

4. Экспериментально продемонстрирован вывод пучка на равновесный радиус в режимах согласованной магнитной компрессии, доускорения и бесстолкновительной релаксации.

5. Измерены скорости распространения фронта компенсации РЭП в лучепроводе в широком диапазоне давлений наполняющего газа (Ю-6 - Ю-3 Тор).

6. Предложен метод расчета доускорения интенсивного РЭП с согласованным выводом на равновесный радиус в изменяющихся по длине магнитном и электрическом полях и получены экспериментальные результаты, согласующиеся о расчетом.

7. Дано объяснение механизма дрейфовой неустойчивости квазинейтрального пучка в продольном магнитном поле. Получено

— экспериментальное подтверждение критерия подавления дрей- -фовой неустойчивости.

Приоритетный характер полученных результатов подтверждается семью авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая значимость. Обоснован способ получения низ-коэмиттансных потоков электронов в многопучковых инжекторах, оптимизированы геометрические размеры элементов формирования, реализована согласованная компрессия в области квазинейтрального дрейфа, в зоне доускорения и на выходе из ускорителя. Создан надежно работающий макет ускорителя.

Показана принципиальная возможность транспортировки и преобразования энергии электромагнитного поля вдоль эквипотенциального лучепровода.

Представлены различные технологические применения интенсивных РЭП для обработки конструкционных материалов, область ! использования которых расширяется с применением поперечного | сканирования и выводом концентрированных пучков в область по-I вышенных давлений через систему дифференциальной откачки.

Апробация. Результаты работы докладывались на Ш и 1У | Международной конференции по мощным электронным и ионным пуч- ! кам. Новосибирск, 1979 г. и Палайсай (Франция), 1981 г;; ! 16-й Международной конференции по явлениям в ионизованных ■ газах. Дюсельдорф (Германия) 1983 г., У, У1, Л1 Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике. Томск, 1984, 1986, 1988 гг. :

— Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 37 pa—j ботах (из них 7 авторских свидетельств). Основные результаты | содержатся в работах, список которых приводен в конце авторе- i ферата. \

I

Личный вклад автора. Анализ проблемы, активное творчес- ; кое участие в постановке задач, руководство и проведение всех \ экспериментальных исследований. Участие в постановке теорети- : ческих задач, составления алгоритмов решений, проведение ма- ' шинных расчетов и обсуждении их результатов. Разработка методик измерения поперечной .дисперсии интенсивных потоков, электронов, распределения энергии и структуры многолучевых потоков, а также методов исследования формы концентрированных пучков, j

— Предложены основные конструктивные решения при создании макетного образца .ускорителя "0ИША-05". Все основные результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.

Структура и объем .диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируется цель и задачи, решаемые в работе, дается краткое содержание, приводятся результаты, выносимые на защиту, обосновывается практическая значимость работы, указывается личный вклад автора. В первой главе анализируется особенности транспортировки энергии заряженными пучками, во второй - динамика процессов компенсации, в третьей и четвертой - экспериментальные исследо- ; вания процессов формирования пучков и описание макетов, в пя- i той - исследование различных аспектов транспортировки энергии ; электронными пучками. ' '

Работа изложена, на 372 страницах и содержит 216 страниц : основного текста, 180-рисунков и список литературы из 260 на- ' именований. \

На защиту выносктся:

I. -Диаграммный метод: анализа процессов транспортировки энер- | гии заряженными РЭП в сопровождавшем магнитном поле при no-i стоянной и изменяющейся степени компенсации. Диаграммы равновесных состояний, связывающие величину тока лучка .для за-т 1 данных геометрических соотношений радиусов пучка л лучепро-

вода с долей энергии, затраченной на увеличение кинетичес кой компоненты, из полной энергии иоточника. Результаты исследований процессов перекачки энергии поля*Щ?иабатически медленном изменении геометрии пучка, определяемого трансформацией магнитного поля или степени компенсации пространственного заряда в процессе ускорения или торможения пучка в эквипотенциальном лучепроводе.

2. Результаты анализа процессов зарядовой компенсации интенсивр ных электронных лучков ионами, образующимися при ионизации пучком наполняющего газа. Модельные рассмотрения процессов рождения и ухода вторичных ионов и электронов на основе уравнений непрерывности, показывающие, что в зависимости

от соотношения продольных и поперечных размеров суммарное — зарядовое состояние может быть изменено от положительно заряженного до отрицательного (декомпенсированного) состояния что оказывает влияние на скорость распространения пучка в лучепроводе свободном от внешних полей, на диаграмму состояния и характерные времена накопления плазмы.

3. Методы формирования интенсивных квазистационарных электронных пучков о предельной компрессией, включающие численный анализ и оптимизацию использования многолучкового инжектора .для получения эффективного токоотбора'с крупногабаритных катодов при минимальных эмиттансах потока. Эксперименталь- { ная отработка процессов; компрессии пучков в собственном и | согласованном внешнем магнитном поле с компенсирующимся. | пространственным зарядом, моделирование, экспериментальные : исследования оптимальных схем.до/ускорения, и как результат - получение на выходе равновесных' электронных пучков. • ;

4. Конструкция полномасштабного макета сильноточного импульсно^-го газонаполненного многопучкового ускорителя - СИГМА-05, ; включающая 37-лучевой инжектор, магнитный компрессор, обеспечивающий формирование в собственном магнитном поле сплошного концентрированного потока на входе в ускорительную , трубку, обеспечивающая увеличение кинетической энергии пучка во внешнем соленоидальном или знакопеременном магнитном поле и согласование с'равновесными параметрами пучка на выходе.

5. Результаты экспериментальных исследований процессов транс-

портировки энергии электронными пучками заряженными и скомпенсированными ионами. Подтверждение устойчивости режимов транспортировки заряженного пучка при преобладающей кинетической компоненте энергии и нареализуемости режимов, соответствующих потенциальной ветви диаграммы состояний. Экспериментальное подтверждение предложенной модели распростра- i нения пучка в лучепроводе, свободном от внешних полей, ос-' нованпое на измерении скоростей "протяжки" пучка в закиси- j мости от давления наполняющего газа. Обоснование механизмов бесстолкновителъной релаксации и релаксационных процессов, i вызывающих рост поперечной температуры при взаимодействии С: ионной компонентой, компенсированных пучков к равновесным состояниям.

6. Объяснение механизмов возникновения и подавления.неустойчи-востей при транспортировке интенсивных электронных лучков через ионизуемый газ, основанное на согласовании компенсационных процессов с .движением ионной компоненты образующейся плазмы, ;

СОДЕРНАНИЕ РАБОТЫ

'В первой главе анализируются процессы преобразования энергии электромагнитного поля, поступающей от, внешнего источника в область формирования, доускорения, Транспортировки и рекуперации интенсивных электронных пучков./ Для заряженного электронного пучка радиуса "а", задаваемого магнитным полем сопровождения, распространяющегося в лучепроводе радиуса R и характеризуемого погонным зарядом CL , допустимые равновесные состояния характеризуются уравнением состояния. При этом величина тока задается геометрически™ соотношениями"1/^ и долей кинетической, рзергии пучка,- определяемой релятивистским фактором lía= ^.Ъ-+ ^ к полной энергии Источника ЧТц, , т.е. 2Í » ■ №■ примерах ультрарелятивистского CK» I)

тонкого ( 1 ) и бессилового (когда степень j

нейтрализации ) пучков анализирууггся равновесныо coc-j

тояния, I (-х, ^/¡х) и процессы адиабатически медленной перо- ! качки энергии поля в кинетическую энергию пучка. При вводе ¡

пучка в магнитное поле конечной величины часть энергии поля преобразуется в вращательную энергию электронов. Рассматриваются равновесные состояния непульсирующих пучков при адиабатических изменениях магнитного поля и различных соотношениях составляющих энергии. Представлены предельные уровни компрессии пучков в нарастающем магнитном поле.

Показайо, что преобразование энергии электронными пучками с неоднородной по дайне степенью компенсации пространственного заряда ионами имеет обратимый характер.

Рассматриваются процессы, сопровождающие.ввод равновесного пучка в область доускорения и его вывод'с учетом переменной степени компенсации. Обсуждается принципиальная возможность — адиабатического ускорения электронного пучка в эквипотенциальном лучепроводё за счет перекачки энергии поля в кинетическую энергию направленного движения.электронов.

Во второй главе обсуждаются особенности процесса компенсации пространственного заряда пучка ионами при его формировании и транспортировки в разреженном газе. Для случая распространения пучка в продольном магнитном поле на базе уравнений непрерывности для вторичных электронов и ионов показано, что степень нейтрализации определяется граничными условиями и законом нарастания тока. С учетом динамики распределения ионов в пущее можно изменять степень компенсации от почти декомпен-сированного состояния, при продольном ионном дренаже, до состояния положительно заряженной плазмы (ПЗП), что показано с помощью диаграммы состояния пучка в процессе установления стационарного состояния. . .

При транспортировке интенсивных квазистационарных электронных пучков в пространстве свободном от внешних полей через• лучепровод с разреженным газом (.длина свободного пробега электронов пучка мн^го больше его длины), важную роль играют переходные процессы, обеспечивающие их компенсацию. На модели ленточного пучка рассмотрена динамика формирования квазистационарной структуры. Получены форлулы, определяющие скорость рас-| простраяения фронта пучка (скорость протяжки), которые показы-; вант, что Я?ср « , где Н<р - длина бетатронного фоку-;

са, а = (П0б"с\Ге)"1- частота ионизационных столкновений электронов пучка с нейтральным газом.

Структура пучка в области его инжекции зависит от геометрии поля, определяемого торцевым эффектом, который также рассмотрен на модели ленточного пучка. Увеличение площади торца приводит к дополнительному обжатию пучка даже в декомпенсиро-ванном состоянии, и уменьшает фокусное расстояние 2<р при полной компенсации пучка.

В третьей главе рассмотрены принципы формирования интенсивных квазистационарных электронных пучков с предельно возможной компрессией. Анализ основных свойств рассматриваемого класса ускорителей показывает важную роль поперечной дисперсии пучков на формирование низкоэмиттаяскых потоков в стадии их предварительного ускорения, на размер теплового кроссовера, на область его расположения в квазистационарном режиме и на особенности доускорения равновесного пучка.

Обзор поиска решений позволяет сформулировать задачи экспериментальных исследований. Они включают изучение структуры квазинейтрального пучка инжектируемого из плоского диода Пирса, влияние регулируемой поперечной дисперсии на его характеристики и времена установления квазистационарных режимов. Предложен и экспериментально исследован эффективный способ извлечения интенсивных низкоэмиттансных потоков с плоских крупногабаритных катодов в многопучковом варианте, обеспечивающий плотность потока мощности до I07 Вт/см2, с последующей компрессией в собственном магнитном поле пучка, увеличивающий плотность потока мощнооти до I09 Вт/см^.

Экспериментально исследован механизм перевода пучка на равновесный радиус в согласованном магнитном пола, как в случав сплошного пучка, так и в многопучковом варианте.

Проведены детальные экспериментальные исследования по до-ускорению интенсивного концентрированного пучка с иопользова- | нием электростатических полей, ионных потоков и во внешнем ! магнитном поле. Усовершенствованное в работе уравнение огиба- j ющей пучка^ Считывающее продольную неоднородностью магнитного и электрического поЛей и степень нейтрализации, позволило най-! ти решение!.по выводу, электронного пучка на равновесный радиус : в области, Доускорения, что подтверждено экспериментальны:®! исследованиями. ; |

— Проведенный цикл экспериментальных исследований позволил-сформулировать основные принципы построения полномасштабного макета ускорителя данного класса.

Четвертая глава посвящена описанию сильноточного импульсного газонаполненного много пучкового ускорителя "СИША-05", созданного на базе приведенных выше исследований. Основными элементами ускорителя являются: (I) инжектор, в виде триодной многопучковой системы, состоящей из 37-лучевой плоской конструкции, обеспечивающий отбор тока до 0,5 кА при полном напряжении до 150 кВ; (2) компрессор,.обеспечивающий предварительное формирование пучка в зоне квазинейтрального .дрейфа под действием собственного магнитного поля пучка; (3) ускоритель--ная трубка, повышающая выходную энергию концентрированного ~ пучка до 0,5 МэВ и согласующая вывод пучка на равновесный радиус как в соленоидальном поле, так и в системе с магнитно-периодической фокусировки (ШВС) в лучшем случае не превышающий 0,5 см. Подробно представлены конструктивные и технологические решения, обеспечивающий надежную работу ускорителя.

Приводятся экспериментальные результаты по выводу ускорителя на рабочий режим.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям 'транспортировки энергии электронными пучками. Вначале дано описание исследовательского комплекса ЭЛК-1, на котором проводились эксперименты по транспортировке энергии декомпенси-рованными и квазинейтральным пучками в сопровождающем магнит- j ном поле (Е = 5 - 20 кэВ, I = 0,1+5. А, В = 100-500 Гс.Ь = 6 м)|. Приводятся результаты по исследованию .диаграммы состояния де- j компенсированного пучка, согласующиеся с теоретическим анали- ! зом, представленном в первой главе диссертации. Показано, что j часть диаграммы, отвечающая транспортировке преимущественно | электромагнитно? энергии поля, является неустойчивой и не ре- j ализуется на практике. Однако в предельном режиме 2/3 переда- j емой энергии источника передается в виде потока вектора Умове-j Пойнмшга, и лишь 1/3 в виде кинетической энергии. При адиабатически медленном продольном изменении магнитного поля сопро- , вождения реализуется перекачка энергии поля в кинетическую j энергию пучка, т.е. режим адиабатического ускорения, что в | L свою очередь обеспечивает продольный ионный .дренаж и квази-

i

— стационарное поддержание пучка в декомпеисированном состоянии: Значительное место занимают экспериментальные исследования возникающих в процессе нейтрализации пучка неустойчивостей. Предложена модель вращающихся относительно друг .друга ионного л электронного жгутов, приводящих к макропульсациям транспортируемого пучка, и Быведен критерий её подавления. Элсперимен-1 тально показана правомочность предложенной модели, объясняю- ! щей, что спонташюе разделение зарядов электронов и ионов с I ростом давлешя наполняющего газа будет компенсироваться вновь)

, образованными пучком ионами. |

Большой раздел посвящен экспериментальным исследованиям : транспортировки высокопервеансных низкоэнергстических пучков |

— (Е = 7 + 20 кэВ, I = 1+100 А), моделирующих процессы распро- ■ ■; странеюш сильноточных релятивистских пучков в тракте транс- | портировке свободном от внешних полей. Подробные исследования : на установке ПРГ продольной структуры, определяемой собствен- : ным магнитным полем пучка позволили выявить особенности расп- | ространения фронта компенсации, положение и структуру области самофокусировки, параметры плазмы, образованной пучком, энергетические характеристики пучка в процессе его взаимодействия' с плазмой. Показано, что формирование первого фокуса в ряде случаев приводит к срывам транспортировки в результате возникновения плазменно-пучкового разряда (ППР). ,

Экспериментальные исследования транспортировки реляти- . ) вистских электронных пучков проводились на исследовательском ! комплексе ЭЛЭП-10Л, обеспечивающем провожу пучка с током до ' 100 А, энергией до 300 кэВ, диаметром 5 см, через трубу дрой-! фа .длиной 10 м, диаметром 50 см, напошшс/лую различными газа- ; ми (воздух, Аг , Хе, Не) в диапазоне давлений КГ^Ю"3 Тор. | Представлены экспериментальные подтверждения ранее полученных теоретических оценок по скорости протяжки компенсирующихся пучков. Экспериментально исследованы процессы бесстолгсновп-тельной релаксации и её зависимость от начальной поперечной .дисперсии (температуры) пучка. Показано, что с ростом поперечной температуры процесс релаксации происходит на меньших ; .длинах, а профиль пучка стремится к .беннетовскому. На больших ' .длинах рост поперечной температуры пучка обусловлен взаимодей-; ствием с колеблющимися внутри пучка ионами. При достижении ;'

13 -а

--критических токов, вызывающих замагкитавание вторичных элект— ронов, происходит пучка, что подробно исследуется

и приводятся различные соображения, сводящееся к объяснению возникновения в тракте ППР, препятствующего эффективному то-копрохождению.

Значение и роль вторичной плазмы, образованной пучком исследуется с помощью открытых бочкообразных резонаторов, которые позволили проследить за .динамикой пучка невозмущающими методами, сравнить эти распределения с коллекторными измерениями и выявить роль вторичной плазмы на возникновение неус-тойчивостей при их транспортировке.

В последнем разделе главы обсуждаются эксперименты по _ транспортировки интенсивных пучков на установке "СИША-05". При этом основное внимание уделено процессам взаимодействия интенсивного'пучка с мишенью, подвергающейся облучению. Показано, что для интенсивных пучков неоднозначность интерпретации коллекторных измерений, связанной с взаимодействием пучка с параки мишени, снимается щ?и поперечном сканировании пучка внешним магнитным полем. Для интенсивных компенсированных пучков скорость сканирования лимитируется инерцией ионов.

Рассмотрены особенности взаимодействия пучка при его транспортировке в ячейке положительно-заряженной плазмы при выпуске пучка в область повышенных давлений (до 100 Тор) через 'систему дифференциальной откачки..Приводятся предварительные результаты по модификации поверхности различных конструкционных материалов при их облучении релятивистскими пучками, приводящие к получению мелкодисперсной структуры, повышению твердости и стойкости к истиранию облученной поверхности.

I '

Заключение

В работе развиты новые представления по формированию интенсивных квазистационарных релятивистских электронных пучков 1 и о процессах транспортировки энергии с их использованием.

Основные результаты исследований можно сформулировать . следующим образом.

| I. Представлен анализ особенностей транспортировки энер-

гаи заряженными электронными пучками при адиабатически медлен-'

1

ном изменении продольной структуры полей, обеспечивающей ус- ~ горение, торможение и колтрессию пучков в равновесных состояниях. Показано влияние процессов зарядовой компенсации на динамику их формирования и транспортировку.

2. Логически обоснована и экспериментально исследована новая перспективная схема формирования интенсивных квазистационарных релятивистских электронных пучков, важнейшими составляющими которой являются: '

а) Плоский многопучковый инжектор электронов, создающий низкоэмиттансный поток с плотностью мощности до 10^ Вт/см2.

б) Магнитный компрессор, обеспечивающий формирование собственным магнитным полем пучгса в процессе зарядовой комненса-

—ции, равновесного потока электронов и увеличивающий плотность-потока мощности, определяемой начальной поперечпой дисперсией, более чем в 100 раз.

в) Ускорительная трубка, увеличивающая энергию концентрированного интенсивного электронного пучка в системе с ооленои-дальным и периодическим знакопеременным гаагнитным сопровождением. в несколько раз.

3. На базе теоретических и экспериментальных исследований создан надежно работающий полномасштабный макетный образец сильноточного импульсного газонаполненного многопучкового ускорителя "СИША-05" с экстремальными параметрами: полный ток до 0,5 кА, полная энергия до 0,5 МэВ, длительность импульса до 0,5 мс при равновесном радиусе на выходе до 0,5 см.

4. На исследовательских комплексах ЭЛК, ПРГ, ЗЛЭП-ГОМ, "СИША-05" ; проведены систематические исследования динамики распространения электронных пучков в процессе компенсации пространственного заряда и установления равновесных состояний при их транспортировке в широком диапазоне параметров: токи -1+300 А, энергия - 7+300 кэВ, сопровождающие магнитные поля -0+500 Гсдавления наполняющих газов - 10"6+1СГ3 Тор с выводом пучка в область повышенных давлений - до 100 Тор, среди которых можно отметить следующие:

а) Измерены скорости распространения фронта компенсации ' интенсивного релятивистского электронного пучка в широком да- |

апазоне давлений наполняющего лучзпровод газа (10~3+ 10"^ Тор)].

.......-......

""Показано, что при калпг. давлениях отклонение от предложенной модели обусловлено механизмом"егрзбьагя" ионов, увеличивающих скорость протяжки пучка вдоль лучепровода. Лри увеличении тока пучка скорость распространения уменьшается в результате за-магничивания вторичных электронов собственным полем пучка.

б) Исследовано образование периодической структуры йучна в процессе компенсации пространственного заряда. Показано,что квазистационарная структура зависит не только от начальной поперечной дисперсии в анодной апертуре, но и от роста поперечной температуры вдоль тракта транспортировки, обусловленной радиальными ионными колебаниями, а для многоструйного потока - деформацией пучков, вызванных их взаимодействием. Образова-—ние продольной неоднородности в виде фокусов приводит к росту-н9линейных( црсцессов взаимодействия пучка с плазмой, что вызывает в раде случаев возникновение ПНР, препятствующего эффективной транспортировке энергии.

■ в) Получены подтверждения соответствия экспериментальных и расчетных равновесных состояний в кинетической ветви диаграммы состояния декомпенсированного электронного пучка. Показано;, что потенциальная ветвь диаграммы - не реализуется. Экспериментально подтверждена возможность адиабатической трансформации потоков энергии при реализации продольного ионного дренажа.

•г) Экспериментально подтверждены.механизмы согласованной магнитной компрессии и бесстолкновительной релаксации, обеспечивающие вывод пучка на равновесный радиус.

'д) Исследованы особенности поперечного сканирования компенсированного интенсивного электронного пучка. Показано, что ограничение скорости его перемещения обусловлено инерцией ионной компоненты.

е) Изучены механизмы развития различных неустойчивостей • в квазинейтральных пучках в магнитном поле сопровождения и в | собственном поле пучка. Предложен и экспериментально подтверж-г ден критерий подавления одной из разновидностей дрейфовой не! устойчивости.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих 1 работах.

Глебов В.В., Вайнштейн Л.А., Власов М.А1, Новичков Д.Н. Высоковольтный кабельный ввод на 500 кВ для электронного ускорителя с термокатодом. - БТЭ, 1974, )Ь 6, с. 19-22.

2. Глебов В.В., Йаринов А.В., Канцель В.В., Новичков Д.Н., Ходатаев И.В. Квазистационарныо процессы взаимодействия релятивистского пучка с разреженным газом. - Физика плазмы, 1975, т. I, №4, с. 662-672.

3. Жарииов А.В., Новичков Д.Н., Чихачев А.С. Уравнение состояния электронного пучка. - Радиотехника и электроника, J 1978, т. 23, 8, с. I687-I69I.

4. Еаринов А.В., Новичков Д.Н., Чихачев А.С. Релятивистский | электронный пучок с переменной степенью компенсации заря- j

- да. - 1ЮТ, 1979, JS I, с. 11-16. j

5. Глебов В.В., Малафаев В.А., Новичков Д.Н. Измерение интвт- j ральных характеристик импульсных электронных пучков. - .i ПТЭ, 1979, 2, с. 42-44. ' j

6. Глебов В.В., Жаринов А.В., Малафаев В.А., Новичков Д.Н., ! Госунян Г.А. - Радиотехника и электроника, 1979, т. 24, i № 8, С. 1594-1598. |

7. Glebov V.V., Dzaguro L.Yu., Kovalenko Xu.A., Sagutchev O.Yu1, Movichkov D.H. at all. Studies of the formation of high- j

. current quasistationary electron Ъеатй in the presence of j ions in accelerationg and gecelerationg electro-optical ; system. Pros. 3-rd Intern, 'iopical Conf. on High Power J Electron and Jon Bean. Novosibirsk, '1979, v. ii, p, 585592. '

8. Potin V.P., Glebov V.V., kalafaev f.A., Novichkov D.H., | Perevodchikov 4,1., Zharinov A.tf. 3inulation of phenomena assiciated with the transport of decompensating and qu*.si

I neutral electron beams for industrial scale transmission ' ! of electric power. Proa. 4th Int. Topical Conf. on Hjgh-: Power Electron and Ion beam. Palaiseau, France, 1981, v. 1,: ! p. 221-228.

' 9. Малафаев В.A., Новичков Д.Н. Экспериментальные псследова- i i ния диаграмм состояний электронного пучка в магнитном по! ле. Труды 1У Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск. 1982, Т. I, с. 237-240.

— 10. Глебов B.B., Новичков Д.Н. Исследование срывов тока при распространении квас пяейтралшдс самофокусирующихся пучков в разреженном газе. Там же, с. 213-216.

11. Glebov V.V., Zharinov A.V., Ivkin B.N., Novichkov D.N. Experimental studies of plasma-beam discharge in self-focusing electron beams. Pros. XVI International Conference on Phenomena in Ionized Gasee. Dusseldorf. 1983, v. 3, p. 344-345.

12. Глебов B.B., Новичков Д.Н. Экспериментальные исследования равновесия квазинейтрального релятивистского электронного пучка в разреженном газе. - Радиотехника и электроника, 1983, г. 28, гё I, с. 143-147.

,_13. Малафаев В.А., Новичкоз Д.Н. Равновесные состояния электронного пучка в магнитном пола. -ПМТФ, 1983, й 5, с. 2430. 1 '

14. Власов U.A., Глебов В.В., Малафеев O.A., Новичков Д.Н.. Экспериментальные исследования магнитной компрессии РЭП. - Труды У Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск, 1984, с. 166-168. •

15. Власов М.А., Глебов В.В., Малафеев O.A., Новичков Д.Н. Экспериментальные исследования бесстолкновительной релаксации при транспортировке РЭП в разреженном газе. - Там Же, с. 210-212.

16. Глебов В.В., Рудакова В.В., Ивкин Б.Н., Логинов Л.В., Малафеев O.A., Новичков Д.Н. Релаксация и магнитная компрессия пучков в многолучевом инжекторе. - Там же, с. 184-186.

17. Власов М.А., Глебов В.В., Малафаев O.A., Новичков Д.Н. Экспериментальные исследования электронного пучка в дрейфовом пространстве. - Радиотехника и электроника, 1985, т. 30, & II, с. 2239-2243. .

18. Глебов В.В., Ивкин Б.Н., Малафаев O.A., Новичков Д.Н., Семиколенов О.В., Федяев В.К. Структура квазинейтрального многопучкового потока. Труда 71. Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск, 1986, т. П, с. 55-57.

191 Глебов В.В., Ивкин Б.Н., Новичков Д.Н. Измерения энергети-I чес1их характеристик электронного потока в процессе разви-¡ тля плазменно-пучкового разряда. - Там же, с. 46-48.

Ь ' . .

i ib '

;JQ, Глебов B.B., Жаринов A.B., Новичков Д.Н. Проблемы транс- ~ портировки энергии электронным пучком. - Промышленное применение электронных пучков (Сб. научных трудов под ред. В.И. Переводчикова), Москва, 1886.

¿1, Новичков Д.Н., Ивкин Б.Н., Малафаев В.А. Формирование интенсивных электронных пучков а магнитным сопровождением в зоне доускорения. - Радиотехника и электроника, 1988, Т. 33, в. 2, о. 380-386.

42,. Новичков Д.Н., Савальская Л.К. Численный анализ элементарной ячейки многопучкового инжектора электронов. - Труды УП Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск, 1988, т. П, с. 53-55.

23. Глебов В.В., Новичков Д.Н. Формирование равновесных элек--тронных потоков в газонаполненном промежутке. - Там же, 0. 62-64.

24« Глебов В.В., Новичков Д.Н. Доускорение интенсивных электронных потоков в газонаполненном промежутке. - Там же, с. 142-144.

25, Малафаев В.А., Никудышна A.A., Новичков Д.Н. Неустойчивость электронного пучка в магнитном поле. - ЖШ и ТФ, 1990, Л 2, с. 10-17.

26, Глебов В.В., Новичков Д.Н. Сильноточный импульсный газо наполненный многопучковый ускоритель "СИША-05". - ПТЭ, 1990, » 4, о. 155-158.

27, Глебов В.В., Дадашев С.Х., Ивкин Б.Н., Москалев И.Н., Новичков Д.Н., Поспелов В.А., Чистякова А.О. Активная СВЧ-диагностика электронного пучка и образованной им плазмы в газа низкого давления. - Cd. Физические принци пы устройств плазмохимических реакторов с использование РЭП. МРТИ АН СССР, Москва, 1989, с. 154-157.

23, Вайнштейн Л.А., Власов М.А., Глебов В.В., Новичков Д.Н. Высоковольтный кабельный ввод. A.c. № I86975I от 8.QI.V

29. Еаринов A.B., Новичков Д.Н., Переводчиков В.И. Способ . устройство передачи энергии по протяженному вакуумироь: ному лучепроводу. A.c. № 2454723 от 18.02.77.

3Q, Еаринов A.B., Малафаев В.А., Никулыпина A.A., Новичкор Способ передачи энергии по гротяженному вакуумированному лучепроводу. A.c. » 2763501 от 22.05.79.

19 j

31. Глебов B.B., Жаршов A.B., Ивкин B.H., Логинов Л.В., Мартынов В.Ф., Новичков Д.Н., Соддатенков А.Ф. Электронный инжектор. A.c. J6 1450653 от 6.01.86.

32. Новичков Д.Н., Каринов A.B., Глебов В.В., Ивкин Б.Н. Способ формирования электронных пучков и устройство для его осуществления. A.c. № 1582960 от 27.11.86.

33. Власов М.А., Глебов В.В., Ивкин Б.Н., Малафеев O.A., Новичков Д.Н. Сильноточный инжектор электронов. A.c. 16 1466624 от 12.12.86.

34. Новичков Д.Н., Ивкин Б.Н., Малафаев В.А. Электронный