Генерация и транспортировка микросекундных ленточных РЭП с энергозапасом до 50 кДж тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера

На правах рукописи

V»

СИНИЦКИИ Станислав Леонидович

ГЕНЕРАЦИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКА МИКРОСЕКУНДНЫХ ЛЕНТОЧНЫХ РЭП С ЭНЕРГОЗАПАСОМ ДО 50 кДж

01.04.08 - физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1992

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской .Академии наук.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Аржаипиков Андрей — кандидат физико-математических наук,

Васильевич старший научный сотрудник, Институт

ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Демидов Борис — доктор физико-м»тематических наук,

Алексеевич Институт атомной энергии

им. И.В. Курчатова, г. Москва.

Кудрявцев Андрей — кандидат физико-математических наук,

Михайлович старший научный сотрудник, Институт

ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

Ведущая организация: ' Институт общей физики

Российской Академии наук ,

Защита диссертации состоится &_ 1992 г.

и /]Срс » часов на заседании специализированного совета Д.002.24.02 1

Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосчбирск-ЭО,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЛФ СО РАН.

Автореферат разослан " 2? » НОЯс^рЯ_ 1992 г.

Ученый секретарь д,

специализированного совета /_ / / г

академик / ) ^ С Б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Применение сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП) с энергией частиц масштаба мегаэлектронвольта охватывает широкие области научных исследований и технических применений. В частности, такие пучки используются в ИЯФ СО РАН для нагрева плазмы в соленоидальных ловушках применительно к решению проблем управляемого термоядерного синтеза. Переход в середине 80-х годов от пучков длительностью 100 не к микросекундным РЭП обеспечил существенное продвижение в этом направлении термоядерных исследований. Тан в настоящее время на первой очереди установки ГОЛ-3 полное энергосодержание микросекундного пучка, инжектируемого в плазменный столб, достигает величины 100 кДж. Однако еде ранее стало ясно, что положенная в основу генерации микросекундных РЭП концепция плоского диода с большим (6*10 см) зазором (ускорители У-1 и У-3 в ИЯФ СО РАН) исчерпывает себя и не позволит перейти в область энергозапаса в пучке масштаба 1 МДж из-за перемыкания плазмой катод-анодного промежутка. С другой стороны, как показал анализ экспериментов, проведенных в ИАЭ г. Москва, ИСЭ г. Токск, ХФТИ г. Харьков с коаксиальными магнитно-изолированными диодами, перемыкание катод-анодного зазора плотной плазмой ограничивает энергозапас пучка в таком диоде приблизительно на том же уровне 100 кЛж. По этой причине Л.Д. Рютов с соавторами в 1984 году выдвинули концепцию последовательной во времени инженции через один и тот же конец соленоида нескольких сильноточных РЭП, генерируемых в отдельных

диодах с соответствующим сдвигом по времени. Для осуществления

*

такого процесса наиболее 'премлекыми пучками представлялись такие РЭП, которые генерировались бы в ленточных магнитно-изолированных диодах. Получаемые в таких диодах пучки должны иметь один из

поперечных размеров их сечена я на порядок величины меньше другого. Эта особенность позволила бы направлять трубку силовых линий ведущего магнитного поля из соленоида с плазиой поочередно то в один генератор пучка, то в другой путем наложения дополнительного, малого по величине магнит! ого поля, направленного по малому поперечному размеру. Не менее важным обстоятельствам явилось и то, что при 'генерации пучка в ленточном магнитно-изолированном диоде можно было ожидать увеличения длительности генерации пучка до 10 и Более микросекунд- при сохранении плотности тока и углового разброса электронов. Поскольку в середине 80-х годов практически не существовало результатов по физике сильноточны х ленточных РЭП, то для реализации указанного предложения представлялось необходимым прежде всего провести экспериментальные исследования по генерации, транспортировке и преобразованию сечения таких пучков для последующей инжекции в плазму. Естественно, эти исследования следовало начинать при относительно невысоком значении энергозапаса в пучке. С другой стороны полученные результаты должны были позволить экстраполяцию в область параметров, необходимых для проведения экспериментов на установке ГОЛ-3.

Цель работы. Целью диссертационной работы явились исследования возможности получения и транспортировки ленточного РЭП с погонным током 1 кА/см и длительностью 10 мкс. Для этого необходимо было создать установку, которая включала бы в себя генератор мегавольтного напряжения, магнитно-изолированный ленточный диод, транспортный вакуумный канал и систему, позволяющую осуществить преобразование ленточного пучка в круглый. Б ходе экспериментального изучения требовалось установить основные закономерности генерации и транспортировки пучков и определить оптимальные условия для этих процессов (погонный ток и степень заполнения пучком сечения канала, величину ведущего магнитного поля к остаточное давление в вакуумном канале).

Научная новизна, Впервыв проведены исследования по генерации и транспортировке сильноточных РЭП с ленточной формой поперечного сечения на специально созданной установке ¥-2 - ТЭЛ-10. При этом в ленточном магнитно-из олированном диоде получен пучок со следующими параметрами: энергия электронов £? £ 1 КэЕ, ток

е

пучка I £ 20 кА, длительность т < 8 мкс и энергосодержание <3 -

50 кДж. Этот.ленточный пучок имеет погонный ток I' 1 кА/см и характеризуется параметром 1'-г = 4 кА-ккс/ск, что вчетверо превышает его значение в случае с коаксиальными МИД. Экспериментально установлено, что при его транспортировке для сохранения формы сечения пучка с погонным током близким к вакуумному пределу необходимо выполнить следующие условия: отношение толщины пучка к зазору между стенками щелевого канала должно быть по крайней мере более 0.5; ведущее магнитное поле должно превышать некоторую критическую величину, которая определяется плотностью тока' пучка; в канале не должно быть плотной плазмы, приводящей к неоднородной по сечению зарядовой нейтрализации пучка. Измерена зависимость предельного погонного тока пучка в канале от величины ведущего магнитного поля, которая объяснена с помощью модели, описывающей его равновесие и устойчивость к коротковолновым возмущениям. Впервые проведены эксперименты по преобразованию формы сечения сильноточных РЭП. В ходе этих экспериментов найдены условия, при которых процесс преобразования ленточного сечения пучка в круглое осуществляется без потерь тока на стенках. Разработан комплекс 'вычислительных программ, позволяющий рассчитывать с помощью ЭВМ конфигурации магнитных полей в трехмерном стационарном и двумерном (осесимметричный и плоский) нестационарном случаях.

Практическая ценность. Результаты исследований по физике сильноточных ленточных РЭП, составляющих данную диссертационную работу, уже использованы в ИЯФ СО РАН при разработке полномасштабного инжекционного комплекса У-2 ТЭЛ-100, предназначенного для нагрева плазмы в установке ГОЛ-3. Эти результаты позволяют планировать получение в единичном ленточном диоде пучка с энергосодержанием 0.3+0.5 МДж. Кроме того, результаты этих исследований позволяют рассматривать проекты генераторов СВЧ-излучения миллиметрового диапазона с релятивистским электронным пучком, имеющим энергозапас на урояне нескольких сотен килоджоулей. Разработанные программы для расчетов,, стационарных и нестационарных магнитных полей в трехмерной геометрии могут использоваться при создании различных физических установок. Спаренные многозазорные разрядники могут найти применение при создании высоковольтных импульсных устпновок.

Аппробацкя работы и публикации. Результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях по физике плазмы, Звенигород, 1986-1992, 4 Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, Ленинград, 1988, Всесоюзном семинаре "Плазменная электроника", Харьков, 1988, 7 и 8 Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике, Томск, 1988 и Свердловск, 1990, 11 Международной конференции по физике плазмы и уте, Токио, 1986, 18 Международной конференции по явлениям в ионизованных газах, Суанси, Англия, 1987, 13 к 14 Международных симпозиумах по разрядам и электроизоляции в вакууме, Париж, Франция, 1988 и Санта-Фе, США, 1990, Международной конференции по физике плазмы, Нью-Дели, Индия, 1989, Международной конференции по мощным пучкам, Новосибирск, 1990, Вашингтон, 1992.

По теме диссертации опубликовано Э статей и 3 препринта.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений и содержит 189 страниц машинописного текста, включая 62 рисунка и список литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе описана установка У-2 в том виде, в котором она использовалась для проведения экспериментов ТЭЛ-10 с модельным ленточным пучком. Она состоит из трех основных частей: генератора пучка, размещенного в зале с радиационной защитой, отдельно расположенного блока энергопитания и системы управления и регистрации сигналов. Генератор релятивистского электронного пучка включает в себя ЬС-генератор импульсного напряжения, мега-вольтный разрядник и магнито-вакууиную систему. Эта система допускает генерацию пучка как в обычном аксиально-симметричном плоском диоде, так и в магнитно-изолированном ленточном диоде. При создании ГИНа для его ЬС-каскадов были разработаны и изготовлены спаренные многозазорные разрядники, конструкция которых признана изобретением. Использование девяти таких разрядников позволило существенно до 1.2 икс сократить задержку срабатывания последнего из 18-ти ЬС-каскадов по отношению к первому и значительно поднять надежность работы ГИНа. Для того, чтобы достигнуть максимального энергосодержания в электронном пучке, вначале была проведена отладка ГИНа при работе его на эквивалентную ре-

зистивную нагрузку (Е=20 Ом) с постепенным повышением напряжения на конденсаторах в ЬС-каскадах, а затем при работе его на плоский аксиально-симметричный вакуумный диод с холодноэмиссионным катодом (диаметр катода 20+26 см, зазор анод-катод 5+8 см). Применение углеродного волокнистого материала в качестве эмитти-рующей поверхности катода и подбор геометрических размеров ускорительного диода позволили добиться таких условий генерации пучка, при которых закорачивание диодного промежутка плазмой (основное препятствие на пути повышения энергии в пучке) стало происходить значительно позже, чем это наблюдалось в аналогичных экспериментах с такими диодами. Это позволило довести к.п.д. передачи энергии из накопителя в пучок до 75% и достигнуть зна--чения энергозапаса в нем на уровне 160 кДж. В этих экспериментах был получен пучок со следующими параметрами: энергия электронов 1 МэВ, ток пучка I =г 40 кА, длительность т г 8 мкс.

Вторая глава посвящена исследованию генерации микросекундных ленточных пучков в магнитно-изолированном диоде. Выбор оптимальной геометрии диода и конфигурации магнитного поля был осуществлен на основе модельных численных расчетов, проведенных на ЭВМ. Для расчета магнитных полей, не обладающих аксиальной симметрией, нами разработан комплекс программ для ЭВМ, описание которого приведено в пятой главе диссертации. Численное моделирование движения электронов пучка проводилось на ЭВМ с использованием пакета программ Р01350Г1-2, в котором расчет траекторий электронов проводился с учетом самосогласованных собственных электрического и магнитного полей. Анализ траекторий электронов указал на основную причину возникновения углового разброса электронов пучка в диоде. Эта причина связана с тем, что вблизи входа в анодную щель масштаб изменения электрического и магнитного полей в области движения пучка обновится соизмерим с ларморовским радиусом его электронов, вычисленным по их полной энергии в ведущем магнитном поле диода 0.3+0.6 Т. Эта величина магнитного поля в диоде ограничена необходимостью последующей компрессии пучка перед его кнжекцией в плазму, удерживаемую в

I

соленоиде. Для описания движения электронов пучка в 'неоднордных электрическом и магнитном полях диода и канала была построена аналитическая модель, хорошо согласующаяся с результатами численного счета. Эта модель позволила проследить влияние на ко-

нечный угловой разброс электронов пучка, генерируемого в таком диоде, следующих основных факторов: величины магнитного поля в диоде и канале, геометрических размеров диода, а также параметров магнитной системы щелевого канала.

С учетом полученной кз теоретического рассмотрения информации были спроектированы как ленточный магнитно-изолированный диод, так и транспортный вакуумный канал с системой токовых обмоток для создания ведущего кагнитного поля. На сооруженной по этому проекту установке были проведены эксперименты по генерации ленточных РЭП. Электронный пучок эмиттировался холоднозкяссион-ным катодом, изготовленным из углеродного волокнистого материала, и затем, распространяясь по силовым линиям ведущего магнитного поля, менял свое сечение с 6x24 см на катоде до (1*3)х18 см в канале. В эксперименте регистрировались напряжение на диоде, ток пучка в диоде и в канале, форма сечения пучка на выходе из канала. Энергосодержание пучка определялось по измерениям с помощью калориметра и по .П^-и^-^, где 1с - ток пучка на выходе

из канала, V - напряжение на диоде. В результате проведенных б

экспериментов был получен ленточный микросенундный пучок с погонным током I' с 1 кА/ск и длительностью т = 5 мкс, что дает по крайней мере четырехкратное увеличение параметра X'-т над величиной, полученной в коаксиальных МИЛ. Важно отметить, что при уменьшении погонного тока ленточного пучка I' в два раза получено подрастание длительности его генерации приблизительно вдвое, что означает сохранение значения параметра 1'-т = 4 кА-мкс/см на прежнем уровне. Энергосодержание ленточного пучка в этих экспериментах достигало величины 50 кДж.

В третьей главе приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования процесса транспортировки ленточного пучка в вакуумном канале с ведущим магнитным полем. Одним из важных вопросов этого исследования является равновесие и устойчивость ленточного РЭП в конечном магнитном поле. Этому вопросу посвящен раздел (§ 3.1), в котором приводится теоретическая модель, описывающая одномерное равновесие плоского релятивистского электронного слоя в вакуумном щелевом канале с конечным магнитным полем при произвольном распределении плотности тока в сечении пучка. Предполагалось, что пучок бесконечен по одной из координат поперечного сечения. Уравнения, к которым сводилась

модель, построены с учетом собственных электрического и магнитного' полей пучка и содержат предположение о налости углового разброса электронов пучка. Решением уравнений данной модели с помощью ЭВМ были получены равновесные распределения параметров пучка ь полей в сечении канала. В результате была найдена зависимость максимально возможного значения погонного тока пучка, при котором еще существует равновесие для данной его толщины и величины ведущего магнитного поля. Путем линеаризации этих уравнений был получен критерий устойчивости этого равновесия по отношению к коротковолновым возмущениям. Этот критерий требует выполнения во веек сечении пучка следующего неравенства:

В г _О > 1ПС _

8п'~ 2 ' Г

где Во - магнитное поле на оси пучка, гь - плотность электронов в пучке, г - релятивистский фактор. Исходя из этого условия, была получена теоретическая зависимость максимального погонного тока ленточного пучка, находящегося в устойчивом равновесии, от величины магнитного поля в вакуумном канале, которая при последующем сравнении с экспериментально измеренной, показала их неплохое согласие.

В более сложном двумерном случае, когда сечение пучка ограничено по обеим координатам, поперечные смещения электронов, обусловленные собственными электрическим и магнитным полями, могут привести к сильному искажению формы сечения ленточного РЭП. Однако, как показано в ряде работ, в этом случае существуют теоретические решения, описывающие двумерное равновесие пучка в сильном магнитном поле, при котором форма сечения пучка в процессе его движения в вакуумном канале не деформируется. Для осуществления такой равновесной конфигурации требуется иметь пучок, толщина которого составляла бы 3/4 от величины зазора между стенками канала (см. например [3]). В этом случае поперечные смещения электронов такого пучка не приведут к искажению его сечения. Для исследования процесса транспортировки в контексте указанных выше проблем были выполнены эксперименты по транспортировке ленточных РЭП различного сечения и величиной погонного тока в вакуумном канале с ведущим магнитным полем.

Целью первой серии экспериментов было изучение транспортировки тонкого ленточного пучка с погонным током в точке инжекции близким к вакуумному пределу, вычисленному для случая бесконечного по величине ведущего магнитного поля. Ленточный пучок в этих экспериментах был получен путем вырезания с помощью щелевой графитовой диафрагмы части пучка, генерируемого в плоском диоде, с последующим сильным (приблизительно в 10 раз) сжатием сечения пучка. При этом в канал с сечением 4x25 см инжектировался ленточный ГЭП с погоннык током I' з 1.5 кА/сн, сечением 0. Бх13 см и длительностью г з 6 икс.

В ходе экспериментов регистрировались основные параметры пучка и форма его сечения на выходе из канала длиной 100 см. На начальной стадии экспериментов, когда остаточное давление газов в канале имело значение 5-10"4 кк рт. ст., в момент времени 3-4 мке от начала инжекции пучка происходило резкое увеличение тока пучка на выходе из канала до значения выше предельного. Это увеличение тока сопровождалось сильным уширенкен сечения пучка даже в сильном магнитном поле 1 Т. Исходя из экспериментальных результатов, было установлено, что такое поведение пучка в канале связано с заполнением транспортного канала плазмой, осуществляющей нейтрализацию заряда пучка неоднородно по его сечению. В последующих зкпериментах улучшением вакуумных условий до 2*5-10~3 им рт. ст. и тренировкой стенок вакуумного канала удалось подавить это явление неоднородной по сечению нейтрализации пучка, что позволило перейти к исследованиям условий равновесия и устойчивости ленточных РЭП.

Прежде всего в этих исследованиях была измерена зависимость максимального погонного тока пучка, прошедшего через канал, от величины ведущего магнитного поля. Установлено, что в умеренных магнитных полях 0.5*1 Т ленточный РЭП может транспортироваться в вакуумном канале длиной 100 см ¿ез потерь и существенного изменения формы своего сечения даже при погонном токе пучка, близком к теоретическому вакуумному пределу. С уменьшением величины ведущего кагнитнного поля от 0.5 до 0.1 Т зарегистрировано уменьшение погонного тока пучка на выходе из канала и увеличение деформаций сечения пучка. Сопоставляя экспериментальную зависимость погонного тока от величины ведущего магнитного поля с теоретической кривой, сделан вывод о том, что это уменьшение погон-

кого тока связано с потерей устойчивости равновесия ленточного пучка при транспортировке в канале.

Во второй ссрии экспериментов использовался пучок, генерируемый в ленточном магнитно-изолированном диоде. Целью этой серии была проверка возможности осуществления транспортировки ленточных РЭП в условиях равновесной конфигурации сечения. При этом толщина пучка варьировалась в пределах от 0.2 до 0.7 по отношению к зазору между стенками канала, а погонный ток пучка имел величину на уровне 0.3 от вакуумного предела. В ходе проделанных экспериментов установлено, что ленточный пучок может транспортироваться в вакуумном канале с ведущим магнитным полем 0.6 Т при зазорах между его границей и стенкой камеры всего в несколько миллиметров. С увеличением отношения толщины пучка к зазору между стенками канала происходит постепенное уменьшение деформации сечения пучка на выходе из канала. При максимальной же величине этого отношения близкой к 3/4 даже в условиях большого погонного тока <1' » 0.8 кА/см) деформации сечения пучка практически отсутствуют.

Четвертая глава посвящена преобразованию ленточного лучка в круглый. Так как ленточный пучок предполагается в дальнейшем использовать для нагрева плазмы, имеющей круглое сечоние а соленоиде, то перед его инжекцией в плазму необходимо будет осуществлять преобразование формы его сечения из ленточной в круглую с последующей компрессией пучка примерно в 20 раз. Цель» проведенных на установке У-2 экспериментов была проверка возможности осуществления такого преобразования на модельном ленточной пучке. Для этого с помощью пакета программ по расчету магнитных полой была подобрана система токовых обмоток, создающая в преобразователе суперпозицию продольного и кпадрупольного магнитных полой. При этом силовые линии полученного магнитного поля должны были сходиться вдоль большого размера ленточного сечения и расходиться вдоль малого. Ленточный пучок, электроны которого за-магничены ведущим магнитным полем, двигаясь по силовым линиям, чол».ен был преобразовать свое сечение в сечение близкое к квадратному. Но ситуация, как и в случае транспортировки пучка в канале, сильно осложняется поперечным к силовым линиям внешнего кагнктного поля движением электронов пучка, обусловленным собственными электрическим и магнитным полями пучка. Единственным

стабилизирующим фактором, предотвращающий искажение сечения пучка, является близость его границы к стенке вакуумной камеры, в связи с этим стенки вакуумной камеры были спроектированы так, чтобы они повторяли ход силовых линий внешнего магнитного поля и имели малый (-1см) зазор до границы пучка.

В экспериментах преобразователь сечения пучка устанавливался на выходе транспортного канала, в который пучок инжектировался из' ленточного магнитно-изолированного диода. Была, проведена серия экспериментов, в которой менялась толщина инжектируемого в преобразователь ленточного пучка и величина квадпупольной составляющей нагнитного поля. Форма сечения пучка на выходе из преобразователя определялась по отпечатку на тонкой полимерной пленке и из измерений локальной плотности тока многоколлекторным датчиком. В ходе проведенных экспериментов было показано, что в случае правильного выбора квадрупольной составляющей магнитного поля в преобразователе и соблюдения условия малости з'азора между границей пучка и стенкой вакуумной камеры, удается осуществить практически без потерь тока пучка на стенках преобразование ленточного пучка с сечением 2x18 см и током 18. ка в пучок квадратного сечения 8x8 см. В случае нарушения хотя бы одного из этих требований имеют место сильные искажения сечения пучка на выходе из пребразователя и попадание пучка на стенку вакуумной камеры. Для дальнейшего преобразования сечения пучка из квадратного в круглое в экспериментах Использовался специальный скругляющий участок вакуумной камеры, в котором на длине около 10 см происходил .плавный переход, квадратного сечения камеры в круглое. Электронный пучок, имевший квадратное сечение на входе в этот участок, двигаясь вдоль внешнего магнитного поля и смещаясь в поперечном направлении под действием собственных электрического и магнитного полей, прокручивался по азимуту и замывал углы квадратного сечения, становясь при этом практически круглым. Таким образом, в результате проведенных экпериментов была доказана возможность преобразования микросекундного .ленточного РЭП с током 18 кА и сечением 2x18 см в круглый диаметром 8. см без заметных потерь тока.

Пятая глава. В связи с тем, что магнитная система установки У-2, 'предназначенной для генерации,1 транспортировки и преобразования ленточных пучков, должна была быть сложной, то возникла

необходимость разработки пакета программ для расчета на ЭВМ магнитных полей со сложной трехмерной геометрией. Поскольку эти магнитные поля должны были создаваться нестационарными токами путем разряда конденсаторных батарей в систему катушек магнитного поля, то в ряде случаев необходимо было учитывать действие скиновых т^ков, индуцируемых в металлических частях установки. Для решения скиновых задач в двумерной аксиально-симметричной и плоской геометрии был развит метод векторного потенциала! Существо метода состоит в следующем. Проводящие тела и токовые обмотки разбиваются на элементы, в сечении которых плотность тока не должна существенно меняться. Затем из выражения для векторного потенциала, уравнений Максвелла и закона Ома получается система линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, имеющая вид:

А-[13=В-[1] ,

где а - матрица эффективных индуктивностей, [X] - столбец токов в элементах разбиения и зарядов в конденсаторах, В - матрица, содержащая сопротивления элементов и емкости конденсаторов. Эта система уравнений решалась двумя способами. Первый широко известен и заключается в умножении правой части системы на обратную матрицу а-1 и последующем интегрировании системы методом Рунге-Кутта. Однако, в ряде случаев в процессе интегрирования возникает неустойчивость в решении, которая связана с плохой обусловленностью матрицы а. В этой связи был разработан другой способ решения, который не требовал обращения матрицы а. Для этого находились собственные числа и собственные вектора матрицы В"1-А (матрица В~' определялась с помощью аналитических вычислений), что позволяло провести разбиение системы уравнений на отдельные независимые уравнения, которые затем легко решались. Определив токи в проводящих телах и обнотках в нужный момент времени, мы рассчитали величину магнитного поля и ход силовых линий в заданной области пространства. В ходе проведения расчетов были выявлены следующие преимущества метода векторного потенциала: простота расчета эффективных индуктивностей элементов разбиения с различной формой сечения, возможность введения в цепи дополнительных активных и реактивных элементов, малая погрешность полученного решения даже на значительных промежутках времени. С по-

мощью данного пакета программ для установки У-2 было подобрано расположение катушек, создающих требуемую конфигурацию магнитного поля при работе генератора на плоский аксиально-симметричный диод.

Вторая часть пакета программ посвящена расчетам трехмерных конфигураций стационарного нагнитного поля, создаваемых токовыми обкогками произвольной формы. Поскольку ленточная геометрия пучка позволяет располагать элементы конструкции канала вдоль направления ведущего магнитного поля, то при достаточно медленном изменении магнитного поля действием скиновых токов в его стенках можно пренебречь. Тогда задача сводится к расчету стационарного магнитного поля от системы многовитковых катушек, имеющих сложную геометрическую форму. Для ее решения катушки разбивались на элементы с током, имеющие такую форму, что распределение магнитного поля от них находилось аналитическим путем. При этом поле катушки находилось геометрическим сложением полей от этих элементов с током. Целью проведенных расчетов являлся подбор такой формы токовых обмоток, которая, с одной стороны, создавала бы требуемую в эксперименте конфигурацию силовых линий магнитного поля, а с другой, обеспечивала бы плавность изменения сечения трубки силовых линий поля вдоль направления движения пучка. Выполнение последнего условия необходимо для того, чтобы электроны пучка при движении в умеренном по величине магнитном поле этой конфигурации не приобретали дополнительного углового разброса к разбросу, приобретенному в диоде. В итоге проведенных расчетов была найдена требуемая форма обкоток^и прослежен ход силовых линий в основных элементах генераторов как модельного, так у. полномасштабного ленточного РЭП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Спроектирована и сооружена первая очередь установки У-2, которая предназначалась для проведения модельных экспериментов ТЭЛ-10 по генерации и транспортировке микросекундных ленточных РЭП. В рамках этих работ построен ЬС-генератор мегавольтного импульсного напряжения с энергозапасом около 230 кдж, для которого разработаны спаренные многозазорные разрядники оригинальной конструкции. При работе ГИНа на квазиплоский ускорительный диод

произведен постепенный вывод генератора пучка на предельные параметры; в диоде получен пучок с энергией электронов е^ 1 МэВ, током I 5 60 кА, длительностью т з 8 мкс и энергозапасом около 160 кДж. КПД генератора составил около 73%.

2. В ленточном магнитно-изолированном диоде при умеренных магнитных полях О. 3+1 Т и напряжении и^ з 1 ИВ получен пучок с сечением (0.6+3)х20 см, погонным током V * 1 кА/см и длительностью до 8 мкс. Энергозапас в пучке достигал 50 кДж. Выбором геометрии диодного промежутка существенно снижена вероятность его пробоя на начальной стадии генерации пучка и получено четырехкратное по сравнению с КДМИ увеличение параметра I'-г, характеризующего полный энергозапас пучка, генерируемого в диоде.

3. На основе численного моделирования движения электронов пучка в магнитно-изолированном диоде и вакуумном щелевом канале, а также аналитической модели, построенной для описания такого процесса, выявлены основные источники возникновения углового разброса электронов, и показано, что главной его причиной является неадиабатичность движения электронов на определенных участках их траекторий. Указан путь построения ленточного магнитно-изолированного диода, способного генерировать в умеренных магнитных полях ■ пучок с предельно малым (- 1°) угловым разбросом электронов.

4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования транспортировки микросекундных ленточных РЭП в вакуумных каналах. Установлены закономерности влияния на устойчивость равновесия ленточных РЭП напряженности ведущего магнитного поля, погонного тока пучка, степени заполнения им сечения канала, а также степени нейтрализации собственного заряда пучка. Экспериментально определены условия, при которых сильноточный ленточный РЭП транспортируется в вакуумном канале без потерь электронов и существенных деформаций его поперечного сечения.

3. Экспериментально установлены закономерности, сопровождающие процесс преобразования формы сечения сильноточного микросекундного РЭП из ленточной в круглую, и найдены необходимые условия его реализации с малыми искажениями формы сечения пучка по отношению к ожидаемой. Экспериментально доказана возможность осуществления этого процесса при величине тока ленточного пучка до 18 кА и энергозапасе в нем до 50 кДж.

6. Разработан конплекс программ для расчета на ЭВМ конфигураций стационарного и нестационарного нагнитных полей сложной трехмерной геометрии. С его помощью проведены расчеты всех элементов генератора пучка, предназначенных для создания магнитного поля как в модельных экспериментах ТЭЛ-10, описанных в диссертации, так и в экспериментах с полномасштабным ленточным РЭП, которые явились продолжением данных исследований и не нашли в ней своего отражения.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Конструкция и параметры коммутаторов импульсных источников питания установки У-2. / A.B. Аржанников, B.C. Николаев, С.Л. Синицкий, В. Е. Лапшин, A.A. Перунов, А.Ф. Трапезников, E.H. Чернов. Тезисы докл. совм. заседания секций научных советов АН СССР "Научные основы электрофизики и электроэнергетики" и "Проблемы мощной импульсной энергетики", Томск, 1986, с. 34.

2. Генерация микросекундного РЭП в плоском диоде на установке У-2./ А.П. Авроров, A.B. Ар>:.анников, М. П. Лямзин, С.Л. Синицкий, M.B. Юшков. Препринт ИЯФ 87-153, Новосибирск, 1987, Laser and Particle Beams (1989), v.7, p. 1, p. 139.

3. On the Possibility of the Successive Injection of High Power REBs into a Plasma./ A.V. Arzhannikov, V.T. Astrelin and S.L. Sinitsky. Proc of 18 Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Swansea, 1987, Contr. Papers 1, p. 206.

4. Многозазорный управляемый разрядник./ A.B. Аржанников, B.E. Лапшин, B.C. Николаев, С.Л. Синицкий, A.A. Перунов, А.Ф. Трапезников, E.H. Чернов. Авторское свидетельство N 1410817, Москва, 1988.

5. Генератор мощного ленточного РЭП микросекундной длительности./ А.П. Авроров, A.B. Аржанников, В. Т. Астрелин, Р. П. Зот-кин, М. П. Лямзин, В. А. Капитонов, B.C. Николаев, С.Л. Синицкий, A.B. Смирнов, И. В. Юшков. Тезисы докладов 4 Всес. конф по инженер, проблемам термояд. реакторов. Ленинград, 1ЯЯ8, с. 187.

6. Диодный узел для формирования ленточного РЭП и генератор. У-2./A.B. Аржанников, В. Т. Астрелин, B.C. Николаев. С J1 : к-

ницкий, А. В. Смирнов. Тезисы докл. 7 Всес. симп. по сильно-точ. электронике. Томск, 1988, с. 13В.

7. Transportation of the nonaxisymmetric electron beam in vacuum channel./A.V. Arzhannikov, A.P. Avrorov, M.P. Lyamzin, S.L. Sinitsky, M.V. Yushkov. Proc. 18 Int. Symp. on Discharges and Insulation in Vacuum. Paris, 1988, p. 671.

8. Эксперименты по транспортировке мощного микросекундного ленточного РЭП в вакуумном канале./ А. В. Аржанников, М. П. Лям-зин, С. Л. Синицкий, М. В. Юшков. Препринт ИЯФ 89-70. Новосибирск, 1989.

9. Генерация ленточных РЭП в магнитно-изолированном диоде и транспортировка их при токе инжекции меньше вакуумного предела/ А. В. Аржанников, В. Т. Астрелин, В. А. Капитонов, М. П. Лямзин, С. Л. Синицкий, И. В. Юшков. Препринт ИЯФ 89-81, Новосибирск, 1989.

10. Experiments on Equilibrium and Stability of a Ribbon REB in a Vacuum Channel./ A.V. Arzhannikov, M.P. Lyamzin, S.L. Sinitsky, M.V. Yushkov. Proc. of 1989 Int. Conf. on Plasma Physics. New-Delhi 1989, v. 3, p. 961.

11. Studies of Microsecond Ribbon REB Generation and Transport./ A.V. Arzhannikov, V.T. Astrelin, V.A. Kapitonov, M.P. Lyamzin, S.L. Sinitsky, M.V. Yushkov. Proc. 8 Int. Conf. on High Power Beams. Novosibirsk, 1990, p. 256.

12. High Power U-2 Generator of Long Pulse Ribbon REB./ A.V. Arzhannikov, V.T. Astrelin, V.B. Bobylev, M.P. Lyamzin, V.S Nikolaev, S.L. Sinitsky, A.V. Smirnov, M.V. Yushkov. Proc. 8 Int. Conf. on High Power Beams. Novosibirsk, 1990, p. 849.