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
|
|
 |
