Закономерности формирования и транспортировки длинноимпульсных электронных потоков высокой плотности с энергиями до 50 КЭВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

г:\; од

I 2 МАЙ 1ЯЯЯ

На правах рукописи Архипов Александр Викторович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ДЛИННОИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПОТОКОВ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ С ЭНЕРГИЯМИ ДО 50 КЭВ

01.04.04.- физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Соминский Г.Г.

Санкт-Петербург -1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

г.г. соминский.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Э.А. ГЕЛЬВИЧ,

кандидат физико-математических наук В.И. ЭНГЕЛЬКО.

Ведущая организация: ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН,

Т. Санкт-Петербург.

Защита состоится 22 мая 1998 г. в_на заседании

диссертационного Совета К 063.38.16 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, г.Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУ

Автореферат разослан " " апреля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат физико-математических наук,

доценг O.A. Подсвиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

Электронные пучки высокой плотности (ЭПВП) используются для решения разнообразных задач электроники и энергетики, в технологии, в научном эксперименте. Однако, несмотря на такой широкий спектр возможных применений ЭПВП, их свойства до сих пор недостаточно изучены, что препятствует совершенствованию существующих, а также созданию новых электронно-пучковых приборов и устройств. Повышение требований к характеристикам таких систем, появление новых их типов и новых областей их применения приводит к ужесточению требований к самим электронным потокам (ЭП), к точности и достоверности информации о закономерностях их формирования и транспортировки, к необходимости детального выяснения механизма происходящих в них физических процессов. При уве-' личении плотности электронных потоков и длительности их существования происходит усложнение этих закономерностей. Это определяет актуальность данной работы, посвященной экспериментальному исследованию одного из наиболее привлекательных для использования в электронике и энергетике больших мощностей, но недостаточно пока изученных типов электронных потоков - длинноимпульсных ЭПВП с магнитным удержанием.

ПЕЛИ РАБОТЫ состояли в экспериментальном определении степени, закономерностей и механизмов влияния вторичных частиц (ионов и электронов) и плазменных образований, а также коллективных колебательных процессов, на формирование и транспортировку длинноимпульсных ЭПВП с энергиями электронов до 50 кэВ.

Для выполнения запланированного исследования было необходимо создать длинноимпульсные электронные потоки с высокой компрессией и с высокими значениями переносимой удельной энергии, разработать- и реализовать комплекс методов диагностики, позволяющий измерять пространственно-временные и энергетические характеристики электронных потоков и воздействие на них указанных выше факторов.

В качестве объектов исследования были выбраны протяженные электронные пучки с наиболее употребимыми на практике системами магнитного удержания: соленоидальным магнитным полем с регулируемым продольным распределением и с помощью магнитно-периодических фокусирующих систем (МПФС). Разборные системы с соленовдальным

.магнитным полем и гладким каналом транспортировки пучка удобны для отработки способов создания пучков с высокой компрессией и для выяснения закономерностей процессов, развивающихся при их формировании и транспортировке. Такая же система была использована для изучения явлений, связанных с взаимодействием плотных электронных потоков с поверхностью твердого тела. Исследования с МПФС проведены в ЛБВ. Использование ЛБВ было целесообразным не только потому, что применение длинноимпульсных пучков высокой плотности именно в такого типа СВЧ устройствах - одно из наиболее привлекательных их приложений. Важно также и то, что исследования в ЛБВ открывают возможность изучить влияние внешних переменных полей на процессы в электронных потоках высокой плотности.

Исследования выполнены на специально созданных экспериментальных установках кафедры физической электроники Санкт-Петербургского государственного технического университета.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы состоит в следующем:

1. Получены неизвестные ранее данные о закономерностях временной эволюции характеристик электронного потока мощной ЛБВ в широком диапазоне режимов ее работы;

2. На основании экспериментальных данных предложены феноменологические модели развивающихся в ЛБВ процессов с участием вторичных частиц и паразитных колебании;

3. Предложена и создана оригинальная система формирования электронного потока, позволяющая обеспечить одновременно высокую степень компрессии электронного потока (порядка 1500 по площади), высокую плотность энергосодержания в пучке (до ~100 кДж/см2) и эффективную защиту электронной пушки от генерирующихся в приборе плотных вторичных и плазменных образований;

4. Получены новые экспериментальные данные о взаимодействии плотного длинноимпульсного нерелятивистского электронного потока с потоками вторичных частиц и плотной плазмы, генерирующихся при интенсивной электронной бомбардировке электродов;

5. Предложены основанные на экспериментальных данных модели экранировки поверхности мишени при ее облучении плотным длинно-импульсным электронным потоком, а также процессов взаимодействия пучка со вторичными частицами, рождающимися на электродах электронно-оптической системы при транспортировке пучка.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы определяется тем, что:

1. Комплексная методика анализа характеристик электронного потока и сам анализатор могут быть применены для определения параметров электронных потоков мощных лучевых СВЧ-приборов О-типа в процессе их конструирования и доработки;

2. Экспериментально определенные характеристики электронного потока мощных широкополосных ЛБВ непрерывного режима могут быть использованы при совершенствовании систем рекуперации приборов данного типа;

3. Полученная информация о закономерностях явлений, определяющих характеристики электронного потока в мощной ЛБВ с МПФС как в процессе их формирования, так и в стационарном состоянии, может быть использована для совершенствования модели процессов в мощных приборах О-типа, необходимой при разработке новых моделей таких устройств с улучшенными характеристиками;

4. Созданная система формирования длинноимпульсного электронного потока высокой плотности, позволяющая формировать нерелятивистский пучок с высокими значениями степени компрессии ( ~1500) и плотности энергии (до -100 кДж/см2 за импульс), в комплексе с методиками определения параметров электронного потока и изучения процессов, протекающих при его взаимодействии со вторичными компонентами потока и плазменными образованиями, может быть использована в материаловедческих и технологических исследованиях, а также для изучения возможности создания системы электронного абляционного ускорения макрочастиц в рамках работ по решению инженерных проблем УТС с использованием магнитного удержания;

5. Полученная информация о закономерностях экранировки интенсивно бомбардируемой нерелятивистскими электронами поверхности твердотельной мишени продуктами ее разрушения может быть использована при разработке модели таких процессов, необходимой, в частности, при решении ряда инженерных проблем УТС;

6. Информация о закономерностях специфических вторичных процессов, развивающихся при формировании и транспортировке плотного электронного потока установки ЭПВП, может быть использована при создании систем формирования нерелятивистских мощных длинноимпульсных электронных потоков, в частности, систем формирования электронного потока мощных СВЧ-устройств.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Разработанная и реализованная система формирования и транспортировки электронных пучков позволяет создавать длинноимпульсные (приблизительно до 5 мс) ЭП с компрессией по площади свыше 1500, плотностью тока ~ 103 А/см2 и удельной переносимой энергией ~105 Дж/см2.

2. Физические явления с участием вторичных частиц и плазменных образований оказывают существенное влияние на формирование и транспортировку плотных длинноимпульсных нерелятивистских электронных потоков с высоким энергосодержанием (1-500 Дж за импульс при плотности мощности в потоке 0.01-20 МВт/см2 и плотности энергии 0.01-100 кДж/см2), вызывают временную эволюцию их параметров с характерным временным масштабом 10-1000 мкс. Стационарное или квазистационарное состояние электронного потока, достигаемое им в ходе такой эволюции, является результатом нелинейного взаимодействия процессов с участием вторичных частиц и (или) плазменных образований, а также колебательных явлений.

3. При транспортировке плотного длинноимпульсного электронного потока (с плотностью мощности в потоке 0.2-20 МВт/см2 и плотностью энергии 1-100 кДж/см2) через диафрагмы или каналы с внутренним диаметром, близким к поперечному размеру электронного потока, возможно его эффективное взаимодействие с плотными вторичными и плазменными образованиями, генерирующимися в результате электронной бомбардировки электродов, приводящее к потери существенной части (10-90%) энергии и тока электронного пучка. В случае развития положительной обратной связи между плотностью бомбардировки поверхности электродов и количеством вторичных частиц в электронном потоке возможна генерация на электродах плотной плазмы даже в условиях, когда плотность электронной бомбардировки электрода в отсутствие вторичных частиц мала по сравнению с уровнем, требующимся для начала разрушения бомбардируемой поверхности.

В подобных условиях возможно развитие и низкочастотных (10-1000 кГц) релаксационных процессов, связанных с воздействием вторичных и плазменных образований на структуру статических электрических и магнитных полей в области распространения потока.

4. При поперечном размере электронного потока порядка 1 мм, энергии частиц 20-45 кэВ, плотности мощности энерговыделения до ~20 МВт/см2 и плотности паров вблизи поверхности до ~1019 см 3 не происходит существенной экранировки мишени нейтральной компонентой факела продуктов

ее разрушения, однако, при развитии пучково-плазменного разряда в результате взаимодействия электронного потока с заряженными компонентами плазмы факела такая экранировка наблюдается, причем поток энергии на поверхность мишени в этом случае может снижаться па порядок и более.

5. Предложенная качественная модель, учитывающая накопление и уход ионов из ловушек, формирующихся в промодулированном пространственно-неоднородным магнитным полем электронном пучке, объясняет временную эволюцию характеристик плотных длинноимпульсных электронных потоков, удерживаемых с помощью МПФС, а также характер воздействия переменных полей на эти характеристики.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ:

Результаты, изложенные в диссертационной работе, регулярно обсуждались на научных семинарах сектора сильноточной и СВЧ электроники кафедры физической электроники СПбГТУ, докладывались на семинарах секции "Физическая электроника" при Санкт-Петербургском Доме ученых в 1990,1995 и 1997 годах, на Научно-техническом совете НПП "Исток-2" (г. Фрязино) в 1995 г., на VII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Новосибирск, 1988 г.), на У Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград, 1990 г.), на Международной конференции "Физика и техника плазмы" (Минск, 1994 г.), на IV Международной школе "Стохастические колебания в радиофизике и электронике" ХАОС'94 (Саратов, 1994 г.), на Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" (Санкт-Петербург, 1995 г.), на 10-й зимней школе-семинаре по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1996 г.), на Международной конференции по пучкам частиц высокой мощности ВЕАМБ'96 (Прага, 1996 г.) и на Всероссийской межвузовской конференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ" (Саратов, 1997 г.).

ПУБЛИКАЦИИ: По материалам диссертации опубликовано 19 работ, список которых приведен в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из Введения, двух глав, Заключения и Приложения. Общий объём диссертации составляет 196 страниц, в ней имеется 73 рисунка, 1 таблица, список литературы включает 215 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во Введении проведен краткий анализ литературных данных, на базе которого обосновывается выбор темы диссертации, определены цели работы, отмечены научная новизна и практическая значимость проведенных исследований и полученных в работе результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В главе 1 описаны конструкция экспериментальных приборов (раздел 1.1) и установки (1.2), а также некоторые из использовавшихся методик регистрации и обработки данных (1.3).

Экспериментальный прибор для исследования процессов в электронном потоке в условиях, типичных для мощных лучевых СВЧ-устройств непрерывного действия, был создан с использованием элементов серийной ЛБВ со спиральной замедляющей системой и магнитно-периодической фокусирующей системой. Основные параметры ЛБВ были следующими: анодное напряжение ио=12-13кВ, ток пучка 1о<0.7А, частота усиливаемого сигнала Го=4-8 ГГц, усиление до 30 дБ, выходная мощность до 1.6 кВт. Характеристики электронного пучка исследовались с использованием специально созданного анализатора, позволявшего определять как пространственные, так и энергетические характеристики в различных поперечных сечениях коллекторной области с разрешением во времени. Измерения проводились в режиме длинных (до 1 мс) разовых импульсов, что позволяло, с одной стороны, исследовать динамику медленно развивающихся процессов, а с другой - избежать разрушения элементов анализатора из-за чрезмерной тепловой нагрузки.

В экспериментальном приборе "ЭПВП" электронный поток Шо=20-45кВ, 1о<5А) создавался пушкой Пирса с гексаборид-лантановым катодом 042 мм, распространялся в секционированном канале транспортировки длиной 1м в сопровождающем магнитном поле В[<1Тл, а затем мог быть сфокусирован на твердотельной мишени магнитным полем Вг<2.5Тл. Помимо осциллограмм токов электродов, регистрировались излучение оптического диапазона из различных участков канала транспортировки, а также мягкий рентген из области мишени. Изучалось взаимодействие электронного потока с плазменными образованиями, генерировавшимися на интенсивно бомбардируемых поверхностях электродов, а также динамика разрушения мишени в различных режимах. Для решения последней из указанных задач определялись характеристики кратеров, образующихся на мишени в результате воздействия разовых импульсов тока ЭП.

Глава 2 посвящена описанию полученных в работе экспериментальных данных и их обсуждению.

В разделе 2.1 представлены результаты исследования ЭП мощной ЛБВ. Данные о пространственном распределении потока в коллекторной области, используемые в дальнейшем рассмотрении и могущие представлять практический интерес при создании систем рекуперации энергии для устройств данного типа, приведены в параграфе 2.1.1. В п.2.1.2 показано, что при сохранении общей структуры пространственного распределения ЭП его количественные характеристики существенно изменялись в течение нескольких десятков или сотен микросекунд после начала импульса тока, и лишь затем стабилизировались. В п.2.1.3 проанализированы факторы, определявшие скорость и характер эволюции пространственных характеристик ЭП. Такими факторами были величина тока пучка, давление остаточного газа в приборе, состояние поверхностей электродов, электрические поля в коллекторной области. Вид наблюдавшихся зависимостей в совокупности с большой величиной характерного временного масштаба эволюции свидетельствовал о высокой степени влияния ионов на характеристики ЭП как в стационарном состоянии, так и в ходе его формирования. В п. 2.1.4 рассмотрено влияние высокочастотных полей сигнала, усиливаемого ЛБВ, на пространственное распределение пучка в коллекторной области. Показано, что такое влияние сводилось в основном к увеличению на 5-10% ширины углового распределения ЭП при его вегреле в коллекторную область. В течение переходного процесса от начала импульса тока до достижения ЭП своего стационарного состояния при подаче входного сигнала в виде коротких (по сравнению с длительностью импульса тока) импульсов наблюдался своеобразный "эффект памяти", состоявший в том, что после окончания импульса входного сигнала характеристики электронного потока не возвращались в исходное состояние. Такое свойство системы может быть объяснено, исходя из гипотезы о возможности длительного - десятки и сотни микросекунд -удержания и накопления ионов в канале ЛБВ в статическом режиме (т.е., при входной мощности Рв*=0) и их высвобождения под действием высокочастотных полей большой амплитуды. После достижения потоком стационарного состояния "эффект памяти" не наблюдался.

Параграф 2.1.5 посвящен описанию результатов исследования энергетического состава ЭП мощной ЛБВ в различных режимах. Выявлено существенное различие энергетического состава ЭП для временных интервалов до и после достижения потоком стационарного состояния. В

начале импульса энергетические характеристики потока соответствовали известным из литературы результатам теоретического рассмотрения, численных расчетов и экспериментов в менее мощных и длинноимпульсных системах. При Рвх=0 пучок был близок к моноэнергетическому. В динамическом режиме (Рвх^О) в энергетическом спектре выделялись две основные группы: частицы, сохранившие энергию Е=еио, и электроны, замедленные приблизительно до Е=0.6еио. Частицы второй из указанных групп имели более широкое угловое распределение на выходе из канала ЛЕВ, и потому превалировали на периферии пространственного распределения в коллекторной области, тогда как в центральной его части преобладали электроны с энергией, близкой к первичной. Однако, при переходе ЭП к стационарному состоянию его энергетический состав изменял. ся. В отсутствие входного высокочастотного сигнала наблюдалось появление значительного количества замедленных частиц (электронный КПД, оцениваемый по усредненному по всем достигающим коллектора частицам значению отклонения энергии от еио, достигал 7%), причем вид их энергетического распределения отличался от наблюдавшегося при синхронном взаимодействии пучка с волнами замедляющей системы. В динамическом режиме переход к стационарному состоянию, напротив, сопровождался уменьшением числа замедленных частиц за счет снижения эффективности взаимодействия ЭП с электромагнитной волной усиливаемого сигнала.

Описанные выше закономерности временной эволюции характеристик ЭП мощной ЛЕВ позволили сформулировать качественную модель происходящих процессов, представленную в п.2.1.6. Согласно этой модели, в объеме канала лампы происходит накопление ионов в электростатических ловушках, поперечное движение частиц в которых ограничено полем пространственного заряда ЭП, а продольное - периодическим рельефом электростатического потенциала, формирующимся из-за наличия продольной пространственной модуляции характеристик (например, радиуса) потока, удерживаемого МПФС. Пространственный заряд накапливающихся ионов частично компенсирует поле пучка, вызывает такое изменение условий распространения ЭП, под действием которого возрастает плотность электронов (если не по всей длине потока, то, по крайней мере, на некоторой ее части). В результате может развиться коллективная неустойчивость потока (например, бунемановская), что влияет на его пространственное и энергетическое распределения и ограничивает накопление ионов, как за счет их "разогрева", так и в результате изменения характеристик ловушек. В то же время, полной "очистки" системы от ионов не

происходит, поскольку именно присутствие ионов создает условия для развития и существования коллективного неконсервативного процесса. Таким образом, стационарное состояние электронного потока мощной ЛБВ (достигаемое в непрерывном режиме работы или в импульсах длительностью более 100 мкс) является результатом взаимодействия процессов с участием вторичных частиц и колебаний, что необходимо учитывать при расчете и моделировании СВЧ-устройств данного класса.

Параграф 2.1.7 посвящен рассмотрению влияния описанной выше временной эволюции характеристик мощной ЛБВ на параметры ее выходного сигнала. Показано, что в течение импульса тока из-за изменения характеристик электронного потока выходная мощность в режиме линейного усиления снижалась на величину до 20%. Кроме того, при работе устройства вблизи порога самовозбуждения (то есть, порога развития неустойчивости потока, определяемой его взаимодействием с электромагнитной волной, распространяющейся по ЗС) эволюция характеристик пучка в течете импульса могла приводить к возбуждению паразитных колебаний. Результатом этого было существенное изменение как амплитуды (до 90%), так и частотного состава выходного сигнала.

Данные, полученные с использованием экспериментального прибора ЭПВП, представлены и обсуждаются в разделе 2.2.

Параграф 2.2.1 посвящен описанию работ по созданию электронно-оптической системы, способной формировать плотный электронный поток в режиме длинных (миллисекундных) импульсов в условиях генерации в приборе большого количества вторичных частиц и плотных плазменных образований. В таких условиях пробой высоковольтного зазора электронной пушки был одним из основных факторов, препятствовавших достижению высоких энергетических характеристик. Необходимо было защитить пушку от воздействия вторичных частиц, и прежде всего - продуктов разрушения мишени, для которой плотность энерговыделения и скорость генерации паров и плазмы была наибольшей. Реализованная в результате исследований электронно-оптическая схема включала в себя дрейфовый канал большой длины (~1 м), помогавший уменьшить количество достигавшего пушечной области нейтрального вещества, испаренного с мишени. Но, поскольку для удержания в дрейфовом канале первичного электронного потока использовалось продольное магнитное поле, потери ионизованной (плазменной) компоненты факела продуктов разрушения мишени при их движении по каналу были невелики, и для защиты пушки от этой компоненты требовались специальные меры. Эксперименты показали, что такая

лащита могла быть обеспечена при полной экранировке электронной пушки от магнитного поля. В этом случае в области магнитного экрана, отделявшего пушку от канала транспортировки, вектор магнитного поля имел значительные поперечные составляющие, препятствовавшие распространению плазмы. Распространение первичного электронного потока через эту неадиабатическую область было также затруднено, однако, как показано в п.2.2.2, оптимизацией характеристик электронно-оптической системы удавалось обеспечить токопрохождение до мишени -60-70%, что было достаточно для достижения высоких энергетических характеристик ЭП, поскольку длительность импульса тока в результате предпринятых мер удалось увеличить до ~5 мс. В сочетании с высокой степенью компрессии ЭП (которая могла превышать 1500) это позвШшло получить плотность энергии в потоке до ~100 кДж/см2 при плотности мощности ~20 МВт/см2.

В параграфе 2.2.3 представлены экспериментальные результататы, характеризующие динамику процесса взаимодействия ЭП с продуктами разрушения мишени при фокусировке пучка на ее поверхности. Полученные данные свидетельствуют о пороговом характере генерации плотной плазмы при таком взаимодействии. При величине тока пучка ниже порогового значения 1о<1* (величина порогового тока I* при ио«40кВ составляла около 1 А) плотных потоков вторичных частиц или плазмы не наблюдалось, токи электродов были постоянны во времени, а отличие тока мишени от тока катода было обусловлено лишь отражением части пучка от области нарастания магнитного поля (магнитной пробки). При 1о>1* с временной задержкой 1* относительно фронта импульса тока регистрировалось образование и распространение от мишени в сторону пушки со скоростью ~10б см/с плотного плазменного образования, являвшегося источником интенсивных потоков медленных вторйчных частиц - ионов и медленных электронов. В результате взаимодействия ЭП с плазмой количество первичных электронов, достигавших мишени, сокращалось на 3090% . Исследование динамики образования кратера, результаты которого приводятся в п.2.2.4. показало, что интенсивность наблюдаемых плазменных явлений не связана напрямую со скоростью разрушения мищени. В режимах с током пучка ниже порогового значения интенсивное испарение графитовой мишени после этапа предварительного прогрева поверхностного слоя (на что при типичных условиях эксперимента требовалась доза энергии ~1 кДж/см2) происходило с характерной удельной энергией ДН«40 кДж/г или ~5 эВ/атом, что согласуется с известными из литературы значениями энергии сублимации графита. При 1о>1* разрушение мишени

происходило со значительно меньшей эффективностью - удельная энергия (рассчитываемая, исходя из параметров электронного потока при его встреле в дрейфовый канал) могла возрастать до ДН«440 кДлс/г или ~55 эВ/атом. То есть, степень экранирования мишени от энергии электронного потока, обусловленная его взаимодействием с формирующейся плотной плазмой, могла превышать 10. На основании полученных данных, а также проведенных численных оценок, можно сделать вывод о том, что для реализовавшихся в эксперименте условий (углеродная мишень, диаметр ЭП ~1 мм, плотность паров вблизи мишени до ~1019 см-3 ) нейтральная компонента факела продуктов разрушения мишени практически не препятствовала транспортировке энергии электронного потока к мишени. Однако, при развитии пучково-плазменного разряда в результате взаимодействия пучка с плазменной (ионизованной) компонентой факела наблюдалось эффективное экранирование мишени от энергии ЭП.

Параграф 2.2.5 посвящен изучению закономерностей взаимодействия ЭП с плазмой, генерировавшейся при транспортировке пучка через систему диафрагм в результате бомбардировки их поверхностей электронами. Эксперименты проводились при различном соотношении между размерами электронного потока и отверстия диафрагмы. Если отверстие диафрагмы было мало и поверхность электрода подвергалась облучению первичным электронным потоком высокой плотности (такая ситуация реализовалась, например, в процессе "прожигания" мишени-диафрагмы), закономерности формирования факела продуктов разрушения электрода и его взаимодействия с ЭП были подобны тем, что наблюдались при фокусировке пучка на толстой (не "прожигаемой" насквозь) мишени. Такое сходство было естественным при близости значений плотности энерговыделения и параметров бомбардирующего электрод пучка для этих двух случаев. Однако, и при величине отверстия, превышавшей диаметр основной части пучка, когда в начале импульса тока диафрагма подвергалась воздействию лишь разреженного ореола ЭП, при накоплении вторичных частиц и развитии колебаний интенсивность бомбардировки диафрагм могла существенно возрастать, а ЭП - терять до 20% тока. Подобный процесс, развивавшийся вблизи магнитного экрана, исследовался более подробно в экспериментах, описанных в п.2.2.6. Здесь плазма генерировалась в результате осаждения части электронного потока на одну из секций дрейфового канала. Плотность энергетической нагрузки в начале импульса тока и средняя плотность энерговыделения были невелики и, как свидетельствовали результаты п.2.2.3, недостаточны для испарения и даже плавления матери-

ала электрода. Тем не менее, поверхность электрода подвергалась существенному разрушению, в результате чего формировалась плотная плазма, препятствовавшая транспортировке ЭП и нарушавшая работу электронной пушки. Предложенная модель явления объясняет это фокусировкой значительной части тока ЭП на малом (площадью несколько мм2) участке электрода, что приводило к увеличению локальной плотности энергетической нагрузки на 2-3 порядка. Механизм такой фокусировки мог быть связан с захватом;части электронов в ловушку между катодом и областью нарастания магнитного поля и их высвобождением из ловушки на том ее участке, где пространственный заряд электронов был в наибольшей степени скомпенсирован ионами. В результате могла устанавливаться положительная обратная связь между плотностью выделения энергии на данной области дрейфового канала и количеством ионов вблизи нее, приводившая к возрастанию неоднородности бомбардировки электрода.

В разделе 2.3 проводится сопоставление результатов исследований, проводившихся в широком диапазоне условий эксперимента с использованием двух экспериментальных установок. Показано, что на основании полученных данных могут быть выделены достаточно общие закономерности влияния вторичных частиц и плазменных образований на формирование и транспортировку ЭП. Одной из таких закономерностей, в частности, можно считать развитие коллективных или релаксационных колебательных процессов в ходе установления определяемого накоплением вторичных частиц или плазмы стационарного состояния ЭП.

В Заключении подведены итоги диссертационной работы. Важнейшие полученные в ней результаты состоят в следующем:, г; :

1. Реализована комплексная методика исследования длинноимпульсных нерелятивистских электронных пучков высокой плотности с магнитным удержанием, позволяющая определять влияние на пространственно-временные характеристики ЭП вторичных потоков частиц (ионов, электронов, плазменных образований), а также переменных полей в пространстве их транспортировки.

2. Разработана и реализована методика формирования длинноимпульсных (приблизительно до 5 мс) ЭП с компрессией по площади свыше 1500, обеспечивающая возможность создания пучков с плотностями токов ~ 103 А/см2 и плотностью переносимой энергии -105 Дж/см2.

3. Экспериментально определены закономерности формирования и транспортировки электронных потоков высокой плотности с энергиями электронов до 45 кэВ, токами до 5А и длительностями импульсов до 5 мс

в наиболее распространенных на практике системах магнитного удержания соленоидальными полями с различным продольным распределением и с помощью МПФС. Установлено, что одна из таких закономерностей - временная эволюция характеристик потоков с временным масштабом 10-1000 мкс. Показано, что результатом такой эволюции может являться стационарное или квазистационарное состояние электронного потока, формирующееся в результате нелинейного взаимодействия явлений с участием вторичных частиц и (или) плазменных образований, а также колебательных процессов.

В результате изучения конкретных механизмов развития описанных процессов:

- Установлено, что влияние вторичных частиц в системах с МПФС может быть объяснено с помощью качественной модели, учитывающей накопление и уход ионов из своеобразных ловушек, формируемых в промоделированном пространственно-неоднородным магнитным полем электронном пучке. Показана важная роль переменных полей, связанных с внешними сигналами и с развитием колебательных неустойчивоетей в этом процессе.

- Выявлены условия поглощения энергии электронного потока плазмой, рождающейся при транспортировке плотного длинноимпульсного электронного потока через диафрагмы или каналы с внутренним диаметром, близким к поперечному размеру электронного потока. Показано, что в результате развития положительной обратной связи между плотностью бомбардировки поверхности электродов и количеством вторичных частиц в электронном потоке возможна генерация на электродах плотной плазмы даже в условиях, когда плотность электронной бомбардировки электрода в отсутствие вторичных частиц мала (~10 Дж/см2).

- Обнаружены специфические низкочастотные (10-1000 кГц) релаксационные процессы, связанные с воздействием вторичных и плазменных образований на структуру статических электрических и магнитных полей в области распространения потока. Определены условия, в которых такие процессы оказывают существенное воздействие на транспортировку длинноимпульсных пучков высокой плотности.

4. Получены данные о пространственной структуре и энергетическом спектре электронов в коллекторной области мощных длинноимпульсных ЛБВ, необходимые для разработки систем многоступенчатой рекуперации для мощных СВЧ устройств такого типа.

i. Получены данные о закономерностях выработки углеродных мишеней при их бомбардировке длинноимпульсным электронным потоком высокой плотности, полезные для использования при создании перспективных приемов размерной их обработки. Показано, что при поперечном размере электронного потока порядка 1 мм даже при плотности мощности энерговыделения ~10 МВт/см2 и плотности паров вблизи поверхности ~1019 см-3 не происходит существенной экранировки мишени нейтральной компонентой факела продуктов ее разрушения, однако, при развитии пучково-плазменного разряда в результате взаимодействия электронного потока с заряженными компонентами плазмы факела такая экранировка наблюдается, причем поток энергии на поверхность мишени в этом случае может снижаться па порядок и более.

В Приложении приведен алгоритм одной из методик обработки

экспериментальных данных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Архипов A.B., Богданов Л.Ю., Левчук С.А., Соминский Г.Г. Слабовозмущающие методы исследования сильноточных электронных потоков. // Тезисы докладов YII Всесоюз. симпозиума по сильноточной электронике. 4.II. Томск, 1988. С.157-159.

2. Архипов A.B., Богданов Л.Ю., Воскресенский C.B., Левчук С.А., Лукша

О.И., Соминский Г.Г. Развитие методов диагностики сильноточных электронных потоков. // В сб.: Проблемы физической электроники.- Л.: Изд. ШЯФ АН СССР. 1989.- С.28- 47.

3. Архипов A.B., Кутеев Б.В., Савицкий Н.Л., Сергеев В.Ю., Соминский

Г.Г. Электронное абляционное ускорение макрочастиц для нужд термоядерного синтеза.// Тез. докл. V Всесоюз. конф. по инженерным проблемам термоядерных реакторов.- Л., 1990,- С. 88.

4. Архипов A.B., Соминский Г.Г. Формирование длинноимпульсного элек-

тронного пучка высокой плотности и исследование происходящих в нем процессов при взаимодействии с твердотельной мишенью. // Письма в ЖТФ.-1994,- Т.20.- №11- С.6-10.

5. Архипов A.B., Соминский Г.Г. Исследование закономерностей формирования плазмы при бомбардировке твердого тела длинноимпульсным электронным пучком высокой плотности и влияния приэлек-

тродной плазмы на транспортировку пучка вблизи мишени. // Материалы конференции "Физика и техника плазмы",- Минск, 1994.- Т.1, С.74-77.

6. Архипов А.В., Богданов Л.Ю., Воскресенский С.В., Левчук С.А., Лукша

О.И., Соминский Г.Г. Исследование колебаний объемного заряда и формирования пространственных структур в электронном потоке с магнитным удержанием. // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика.-1995,- Т.З.- №4.- С.41-52, №5.-С.35-54.

7. Arkhipov А. V., Sominskii G.G. First wall energy loads modelling with a dense

electron beam. // Final Program (Abstracts) of 13th Intern. Vacuum Congress / 9th Intern. Conference of Solid Surfaces.- Yokohama, 1995.

8. Архипов A.B., Богданов Л.Ю., Воскресенский C.B., Дворецкая Н.В., Левчук С.А., Лукша О.И., Соминский Г.Г. Формирование и диагностика сильноточных электронных потоков дли мощных устройств. // Тезисы докладов Российской научно-техническая конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России".- Санкт-Петербург, 1995,- Ч. 9, С.32.

9. Архипов А.В., Богданов Л.Ю., Соминский Г.Г. Моделирование и иссле-

дование процессов при взаимодействии интенсивных электронных потоков с поверхностью твердого тела. // Там же.- С.34.

10. Архипов А.В., Соминский Г.Г. Анализатор пространственных и энергетических характеристик сильноточных электронных пучков. // Там же,-С.37.

11. Архипов А.В., Комашко А.В., Соминский Г.Г. Исследование характеристик длинноимпульсного электронного пучка в коллекторной области мощной ЛБВ. // Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника,- 1996,-Вып 1(467).- С. 18-23.

12. Архипов А.В., Богданов Л.Ю., Воскресенский С.В., Дворецкая Н.В., Левчук С.А., Лукша О.И., Соминский Г.Г. Пространственно-временные характеристики электронных потоков мощных СВЧ устройств. // В сб.: Лекции по СВЧ электронике и радиофизике. 10-я зимняя школа-семинар. Саратов: Изд. ГосУНЦ "Колледж". 1996,- кн.2.- с 3-34.

13. Arkhipov А.V., Sominski G.G. Experimental study of a high-power TWT electron beam. // Proc. 11th Int. Conf. on High-Power Particle Beams.-Prague, 1996,- Vol.L- P.371-374.

14. Arkhipov A.V., Sominski G.G. Processes in a dense long-pulse electron beam focused on a solid target. //Ibid-Vol.IL- P.789-792.

15. А.В.Архипов, Н.В.Дворецкая, А.В.Комашко, Г.Г.Соминский. Влияние СВЧ-полей на характеристики электронного пучка в коллекторной области мощной ЛБВ. II Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника,-1997,-№1(471).

16. Архипов A.B., Соминский Г Г. Временная эволюция длинноимпульсно-го электронного пучка высокой плотности. // Журнал технической физики.-1997.- Т.67,-№12,- С.54-58.

17. Архипов A.B., Соминский Г.Г. Исследование характеристик мощной ЛБВ в условиях самовозбуждения. // Материалы Всерос. межвузовской конф. "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ".-Саратов, 1997,- С. 43.

18. Архипов 'ÄiB., Соминский Г.Г. Распыление графита длинноимпульсным электронным пучком высокой плотности. // Там же,- С. 44.

19. Архипов A.B., Соминский Г.Г; Изменение во времени характеристик электронного пучка мощной длинноимпульсной ЛБВ. // Там же.- С. 45.

Лицензия ЛР N"020593 от 7.08.97.

Подписано к печати ¡0.0 Ч. б S. Псч. л.Тираж /00 Заказ N°

Отпечатано в Издательстве СПбГТУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул, д. 29