Рис. 1. Схема сильнотокового ускорителя: 1 - высоковольтный выпрямитель; 2 - промежуточный накопительный элемент; 3 - электроды двойной формирующей линии; 4 - трансформирующая линия передачи; Р - разрядники; С - конденсаторы.
На диод подаётся напряжение от генератора мощных высоковольтных импульсов. Источником электронов или отрицат. ионов служит плазма, образующаяся за неск. нс на катоде в результате взрывной электронной эмиссии, когда при достижении ср. напряжённости поля на катоде ~105 В/см происходит тепловой взрыв его микронеоднородностей. В ионных диодах плазма создаётся на аноде и из неё вытягиваются положит. ионы. Для эфф. работы ионного диода сопутствующий электронный ток на анод искусственно подавляют.
Образовавшиеся на катоде и аноде слои плазмы расширяются со скоростью
v = (2- 3)*106 см/с, межэлектродный промежуток (размером
d от неск. мм до неск. см) сокращается в течение импульса. При относительно
небольших напряжениях V [MB] в диоде с электродами в виде двух плоских
дисков радиуса R (рис. 2, а) течёт равномерно распределённый электронный
ток I =
. Через время
оба слоя плазмы соединяются и диод закорачивается. Время устойчивой работы
диода, пока его сопротивление не сильно отличается от внутр. сопротивления
генератора импульсов, должно быть в неск. раз меньше tк и обычно
не превосходит 100 нc. Это и определяет верх. границу длительности пучка
сильнотокового ускорителя, если не приняты спец. меры для уменьшения v. Для эфф. работы
сильнотокового ускорителя за это же время в пучок должна быть передана существенная доля первоначально
запасённой энергии.
В случае больших напряжений и отношения R/d, т. е. при
больших токах, когда ларморовский радиус электронов в собств. магн. поле
пучка становится мал по сравнению с зазором (рис. 2, б), диод переходит
в режим сильного пинча. При этом эффективно эмиттируют только участки поверхности,
расположенные на периферии катода, а ток на аноде сфокусирован в центральное
пятно малого размера и определяется соотношением:
где
-
полная энергия электронов в единицах энергии покоя m0с2.
Для формирования выведенного пучка сильнотокового ускорителя часто используют цилиндрич.
диоды, помещённые в аксиальное магн. поле (рис. 2, в). При большом электронном
токе
где rа и rк - радиусы анода и катода, такой диод
может работать и без внеш. магн. поля. Чтобы ларморовский радиус электронов
стал меньше межэлектродного расстояния и электроны не достигали анода,
уже достаточно магн. поля тока, текущего по катодному стержню (явление
магн. самоизоляции). В этом случае анодная плазма образуется позднее, а
скорость разлёта катодной плазмы несколько ограничивается магн. полем и
работоспособное состояние диода может поддерживаться >10 мкс.
Для генерации ионных пучков анод диода делают из диэлектрика соответствующего
хим. состава. В результате пробоя на поверхности анода образуется плазма,
из к-рой под действием внеш. поля и поля пространственного заряда электронов
эмиттируются ионы. Для увеличения энергии в ионном пучке ток электронов,
пересекающих диод, должен быть уменьшен, но сохранён большой отрицат. пространственный
заряд. Для этого используется либо поперечное магн. поле, параллельное
поверхности катода (т. н. ионные диоды с магн. изоляцией, рис. 3, а), либо
полупрозрачные для ускоренных электронов аноды, покрытые диэлектриком (т.
н. рефлексные диоды и триоды, рис. 3, б). Во втором случае электроны
многократно проходят сквозь анод, создавая увеличенный отрицат. пространственный
заряд, облегчающий вытягивание ионов из плазмы. При прочих равных условиях
значение плотности тока ионов оказывается в
раз меньше плотности электронного тока. Эффективность ионных источников
достигает 50-60% при импульсном токе ионов I0 ~ 1 МА и напряжении
~ 1 MB.
Рис. 2. Траектории электронов в диоде с малым (а) и большим (б) токами;
в ~ в диоде с магнитной изоляцией.
Рис. 3. Схемы ионных диодов с магнитной изоляцией (о) и рефлексных
диодов (б): К - катод; А - анод; П - поверхностная плазма; Н - поперечное
магнитное поле; Тр_ - траектории электронов;
- траектории ионов; В - виртуальный катод (плоскость остановки электронов).
В большинстве сильнотоковых ускорителей первичное накопление энергии
осуществляется в конденсаторах С (рис.
1) при сравнительно низком напряжении (~100 кВ), после чего следует увеличение
напряжения на один-два порядка либо с помощью импульсного трансформатора,
либо коммутацией конденсаторной батареи из параллельного соединения в последовательное
(схема Аркадьева - Маркса). Если длительность импульса больше времени работоспособного
состояния диода, то приходится вводить «обостритель» импульсов (усилитель
мощности) в одном или нескольких каскадах. Эти каскады обычно выполнены
в виде отрезков линий передач, погружённых в диэлектрик для увеличения
уд. энергоёмкости. Для этого используют жидкие диэлектрики (трансформаторное
и касторовое масло в случае высокого напряжения, воду - низкого), не «запоминающие»
пробоев и имеющие повыш. электрич. прочность при длительности импульса,
меньшей ~1 мкс. Применение воды, имеющей высокую диэлектрич. проницаемость,
и следовательно энергоёмкость, позволяет сократить размеры линии, но требует
тщательной очистки и деионизации, чтобы исключить потери энергии за времена
порядка 1 -10 мкс. Для малых напряжений и больших токов используются одинарные
линии, в обратном случае - двойные (т. н. линии Блюмляйна), создающие удвоение
напряжения на нагрузке, к-рой служит диод. В сильнотоковом ускорителе с малой запасаемой энергией
низкоиндуктивный источник может непосредственно обеспечить на диоде импульс
напряжения длительностью
100 нс. Такую же схему имеют сильнотоковые ускорители с длительностью пучка
1
мкс, но в этом случае схема Аркадьева - Маркса обычно собирается из искусств.
длинных линий. Это позволяет получить на диоде импульсное напряжение, близкое
к прямоугольному.
Поскольку ток и мощность сильнотокового ускорителя определяются напряжением генератора высоковольтных импульсов, имеющим естеств. техн. ограничения, для достижения экстремальных параметров используется конструкция из модулей с умеренными параметрами каждого модуля и сложением выходных токов или напряжений спец. сумматорами. Так, в исследованиях по инерциальному УТС мощность пучка должна составлять десятки ТВт при энергии электронов ~106 эВ или лёгких ионов ~107 эВ. Для создания сильнотокового ускорителя с такими выходными параметрами пучков разработаны схемы высоковольтных ускорителей с параллельным включением выходов неск. десятков модулей. Примеры таких установок - Proto-2 и PBFA-2 (США) и «Ангара»-5 (СССР) (табл. 1).
Для повышения энергии частиц в сильнотоковых ускорителях используется последоват. включение модулей, т. е. доускорение пучка. Практически это делается в линейных индукц. ускорителях либо в аналогичной по принципу действия последовательности ускоряющих промежутков, питаемых от собств. линий передачи. Непосредств. суммирование напряжений модулей до 20 MB на одном диоде осуществлено в установке «Гермес»-III с помощью длинного магнитоизолиров. штока-катододержателя, закреплённого лишь на низковольтном конце и проходящего через все модули.
В табл. 2 приведены нек-рые параметры американских сильнотоковых ускорителей (уже созданной установки «Гермес» и разрабатываемой установки EDNA) с последоват. суммированием напряжений отд. модулей.
|
«Гермес»-III (США)
|
EDNA (США)
|
|
|
Выходное напряжение, MB
|
22
|
47
|
|
Выходной ток, МА
|
0,73
|
1,2
|
|
Длительность импульса, нс
|
40
|
60
|
|
Суммат ор
|
||
|
Длина, м
|
16
|
37
|
|
Число индукторов
|
20
|
40
|
|
Напряжение на индукторе, MB
|
1,1
|
1,2
|
|
Одинарные формирующие линии
|
||
|
Число
|
80
|
160
|
|
Импеданс, Ом
|
5
|
4
|
|
Зарядное напряжение, MB
|
2,6
|
2,9
|
Транспортировка пучков сильнотоковых ускорителей на большое расстояние представляет
собой сложную проблему, связанную с преодолением сил пространственного
заряда и тока (см. Сильноточные пучки ).Без компенсации пространственного
заряда электронный пучок радиуса а может быть проведан в продольном магн.
поле, жёсткость к-рого
[кГс*см], но макс. ток ограничен теоретич. значением
,
где R - радиус канала транспортировки. При наличии в пучке положит.
ионов с относит. плотностью
(напр., при распространении в плазме низкой концентрации) поперечное расталкивание
электронов сменяется сжатием. Необходимая плотность ионов устанавливается
также при транспортировке электронных пучков в вакуумных каналах, на периферии
к-рых имеется или создаётся самим пучком плотная плазма. Транспортировка
ионных пучков сильнотоковых ускорителей не может быть обеспечена внеш. полями и требует компенсации
сил пространственного заряда ионов медленными сопутствующими электронами.
На практике такая нейтрализация осуществляется на выходе ионов из диодов.
Сильнотоковые ускорители служат главным образом для нагрева плазмы, создания с помощью полей пучка магнитных ловушек и для сжатия микромишеней в системах УТС с инерциальным удержанием плазмы. Кроме того, пучки, создаваемые сильнотоковыми ускорителями, используются для генерации сверхмощных импульсов СВЧ-колебаний в диапазоне от субмиллиметровых до дециметровых волн, для накачки химических лазеров и газовых лазеров высокого давления, в коллективных методах ускорения ионов и т. д.
А. Н. Лебедев, Б. Н. Яблоков
Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.
Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.
Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.
Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
|
|
 |
