Плазменная электроника. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Плазменная электроника - раздел физики плазмы, изучающий коллективные взаимодействия плотных потоков (пучков) заряж. частпц с плазмой и газом, приводящие к возбуждению в системе линейных и нелинейных эл--магн. волн и колебаний, и использование эффектов такого взаимодействия. Прикладные задачи, к-рые ставит и решает П. э., определяют её осн. разделы: плазменная СВЧ-электроника, изучающая возбуждение в плазме интенсивного когерентного эл--магн. излучения, начиная от радио- и вплоть до оптич. диапазона длин волн; плазменные ускорители, осн. на явлении коллективного ускорения тяжёлых заряж. частиц электронными пучками и волнами в плазме; плазменно-пучковый разряд ,основанный на коллективном механизме взаимодействия плотных пучков заряж. частиц с газом; турбулентный нагрев плазмы плотными пучками заряж. частиц и коллективные процессы при транспортировке и фокусировке пучков в проблеме УТС (см. Ионный термоядерный синтез); неравновесная плазмохимия ,изучающая процессы образования возбуждённых молекул, атомов и ионов при коллективном взаимодействии пучков заряж. частиц с газом и плазмой.
Историческая справка. П. э. возникла после открытия А. И. Ахиезером и Я. Б. Файнбергом (1948), Д. Бомом (D. Bohm) и Э. Гроссом (Е. P. Gross, 1949) явления пучковой неустойчивости, представляющего собой вынужденное черенковское излучение плотным моноэнергетич. пучком электронов продольных эл--магн. волн в плазме. Одним из осн. направлений коллективных методов ускорения, основы к-рых были заложены работами советских учёных В. И. Векслера, Г. И. Будкера и Я. Б. Файнберга, является метод ускорения электронов и ионов волнами плотности заряда в плазме и некомпенсиров. пучках заряж. частиц, предложенный Я. Б. Файнбергом в 1956. В 1965 Е. К. Завойский и Я. Б. Файнберг предложили использовать электронные пучки и возбуждаемые ими эл--магн. волны для пучкового и турбулентного нагрева плазмы. Идея турбулентного нагрева плазмы позволила Е. К. Завойскому в 1969 сформулировать осн. принципы инерциального электронного УТС. В 70-х гг. Д. Д. Рютовым был предложен нагрев плазмы релятивистскими пучками в открытых ловушках.
Параллельно возникли и развивались направления, связанные со слабоионизованной плазмой. Открытие плазменно-пучкового разряда (1961) послужило основой создания новых источников плазмы, использующих энергию плотных электронных пучков для ионизации газа. Создаваемая в таких источниках плазма оказалась сильно неравновесной с большим числом возбуждённых ионов, атомов и молекул в метастабиль-ных состояниях, инициирующих ряд новых типов плазмохим. реакций. Неравповесная плазма пучкового разряда является рабочим веществом в плазмохим. реакторах по разделению изотопов, в квантовых генераторах когерентного излучения - плазменных лазерах и мазерах и др.
Коллективные взаимодействия. Все направления П. э. базируются на коллективных взаимодействиях потоков заряж. частиц с плазмой и возбуждении сильных эл--магн. полей. В основе коллективного взаимодействия лежат элементарные процессы излучения и поглощения эл--магн. излучения заряж. частицами: одночаетпчный и коллективный эффекты Черенкова, нормальный и аномальный эффекты Доплера, циклотронное и спнхротронное излучение и поглощение, ондуляторное излучение, параметрич. резонансное излучение, переходное излучение, томсоновское и комптоновское рассеяние, Мандельштама - Бриллюэна рассеяние и др. Если в плазме определённая группа частиц совершает упорядоченное движение, то при достаточно большой их плотности имеет место коллективное излучение эл--магн. волн: часть энергии упорядоченного движения переходит в энергию эл--магн. излучения. Именно так происходит в плазменных усилителях и генераторах эл--магн. волн. В свою очередь, в регулярных полях возбуждённых в плазме волн сторонние заряж. частицы могут приобрести упорядоченную энергию (коллективное ускорение). В нерегулярных полях с относительно широким спектром плазменных волн заряж. частицы приобретают неупорядоченную энергию вследствие поглощения этих волн и происходит нагрев плазмы. Поскольку пучки заряж. частиц могут обладать весьма большой кинетич. энергией, то и нагрев плазмы может быть значительным, вплоть до термоядерных температур. Такое возможно, однако, только в случае сильноионизованной плазмы. В слабоионизованной плазме существ. часть энергии передаётся нейтральным атомам и молекулам, в результате чего происходит их разогрев, возбуждение, диссоциация и ионизация. Эти процессы, в свою очередь, инициируют новый тип разряда, нлазменно-пучковый разряд, новые типы хим. реакций (плазменно-хим. реакции), а также определяют работу нового типа квантовых генераторов - плазменных лазеров и мазеров, основанных на переходах в ионных и ионно-молекулярных уровнях энергий.

Отличия и достоинства П. э. Подобно вакуумной и квантовой электронике П. э. основана на явлении индуцированного (вынужденного) излучения и поглощения эл--магн. волн заряж. частицами в плазме. Но если вакуумная электроника рассматривает излучение потоков заряж. частиц, движущихся в электродинамич. структурах - металлич. либо диэлектрич. волноводах и резонаторах, то П. э. исследует излучение потоков заряж. частиц, движущихся в плазме, в плазменных волноводах и резонаторах (см. Волновод плазменный). Частота эл--магн. излучения в вакуумной электронике определяется конечными геом. размерами волноводов и резонаторов, а в квантовой электронике - дискретностью энергетич. уровней излучателей (возбуждённых атомов и молекул); поэтому генераторы когерентного эл--магн. излучения в вакуумной и в квантовой электронике узкополосны, менять их частоту плавно практически невозможно. В плазменных приборах частота зависит не только от геом. размеров волноводов и резонаторов, но и от плотности плазмы, поэтому излучатели в П. э. многомодовые; меняя плотность плазмы, можно менять частоты в широком интервале. В этом заключается одно из существ. отличий и преимуществ П. э. Так, напр., частота продольных ленгмюровских колебаний холодной изотропной плазмы (в системе ед. CGSE)

где n_р - плотность плазмы. При изменении реально используемой плотности плазмы в пределах (10¹⁰ - 1C¹⁹) см^-3 можно возбуждать волны длиной

(10^-3 - 10²) см, что перекрывает всю полосу СВЧ от субмиллиметрового и до дециметрового диапазона. При наложении на плазму внеш. магн. поля диапазон частот собств. люд эл--магн. колебаний плазмы расширяется.
Дисперсионное ур-ние, описывающее возбуждение волн моноэнергетич. перелятивистским электронным пучком в простейшем случае холодной изотропной плазмы, записывается в виде

Здесь

- ленгмюровская частота электронов пучка (beam), n_b - плотность, и - скорость пучка, k - волновой вектор,

- комплексная частота, действит. часть к-рой представляет частоту возбуждённых продольных колебаний поля, а мнимая часть - инкремент нарастания их амплитуды.
Если п_р п_ь, то, как следует из решения ур-ния (1), частота нарастающих во времени колебаний

причём ku =

Из соотношения (2) видно, что механизмом раскачки колебаний является эффект Черенкова - скорость пучка находится в резонансе с фазовой скоростью волны, но несколько больше последней. Раскачка колебаний происходит с инкрементом, равным

до тех пор, пока скорость пучка не уменьшится до скорости волны. Отсюда можно найти амплитуду насыщения поля волны:

Второе отличие П. э. от вакуумной состоит в том, что если в последней возбуждаются поверхностные волны, либо осн. моды эл--магн. колебаний диэлектрич. волноводов и резонаторов, то в П. э. происходит также эфф. возбуждение высоких объёмных мод с

намного меньшей геом. размеров плазменных волноводов и резонаторов. Макс. достижимая напряжённость электрич. поля в плазме

(с - скорость света) и при плотности плазмы n_p(10¹⁴10¹⁸)см^-3 составляет

10⁷10⁹ В/см. В таком поле весьма эффективно будут ускоряться заряж. частицы до больших энергий на относительно малых длинах (на длине ~100 см частицы могут ускоряться до ~10³ МэВ). Существенно и то, что при возбуждении высоких мод объёмных колебаний ослабляется возможность пробоев на стенках плазменных волноводов и резонаторов.
Осн. преимущество П. э. перед вакуумной - пропускать пучки с большими токами. В вакуумных системах токи пучков ограничены сверху пространственным зарядом. Напр., через вакуумный цилиндрич. волновод радиуса R можно транспортировать трубчатый электронный пучок с током, не превышающим

Здесь

- релятивистский фактор,

- кинетич. энергия электрона, r_b - ср. радиус пучка толщиной

При движении потоков заряж. частиц в плазме происходит компенсация объёмного заряда и тока индуцированными в плазме полями и токами. Благодаря этому в плазменных системах возможно достижение больших токов, но и здесь существует верхний предел, определяемый устойчивостью пучка

Из (5) видно, что для пучка с энергией 1 МэВ предельный плазменный ток I_п достигает 100 кА, а мощность пучка - 100 ГВт, что намного превышает предельные значения в вакуумных системах. При этом скомпенсиров. по заряду пучки более однородны по сечению и поэтому более эффективно взаимодействуют с эл--магн. волнами в плазме. В результате существенно повышается эффективность возбуждения эл--магн. волн потоками заряж. частиц и достигаются значительно большие мощности излучения, чем в вакуумной электронике. В 70-х гг. появились источники мощных высокоэнергетич. электронных и ионных пучков (энергия частиц ~1 МэВ, токи ~10⁵ - 106 А). При длительности импульса ~10^-7 с полная энергия в таких пучках >10⁶ Дж, что вполне достаточно для инициирования термоядерной вспышки в дейтерий-тритиевых мишенях миллиметрового диаметра. Инерциальный УТС с использованием интенсивных ионных пучков считается одним из наиболее перспективных и интенсивно развивается.

Релятивистская П. э. Мощные мегавольтные электронные пучки открыли новые перспективы перед П. э., связанные с релятивизмом электронов. Развитию релятивистской П. э. способствовало теоретич. доказательство увеличения с ростом

эффективности

плазменно-пучкового взаимодействия

несмотря на уменьшение линейного инкремента Imw -

Эл--магн. колебания и волны в плазме обладают самыми разнообразными фазовыми скоростями. В плазме существуют колебания, фазовая скорость к-рых намного меньше скорости света и даже тепловой скорости частиц; к их числу относятся ленгмюровские колебания, ионно-звуковые и альфеновские волны и др. Такие волны легко возбуждаются нерелятивистскими пучками заряж. частиц. Но, обладая малыми фазовыми скоростями, такие волны заперты в плазме, не излучаются, а со временем диссипируют, поглощаясь частицами плазмы. Именно поэтому возбуждение медленных волн в плазме нерелятивистскими пучками заряж. частиц служит эффективным каналом для пучкового нагрева плазмы.
С др. стороны, в плазме существуют и быстрые эл--магн. волны, фазовая скорость к-рых

Особенно много таких эл--магн. волн в плазме, находящейся в сильном внеш. магн. поле (см. Волны в плазме ).Очевидно, что возбуждение быстрых волн в плазме возможно лишь интенсивными релятивистскими электронными пучками. Поэтому с появлением мощных источников релятивистских электронных пучков стала бурно развиваться релятивистская плазменная СВЧ-электроника.
Релятивистские скорости и большие токи изменяют характер взаимодействия сильноточных релятивистских электронных пучков с плазмой. Тот факт, что при

даже значит. потери энергии электронов не нарушают условие черепковского резонанса, проявляется в увеличении кпд генерации эл--магн. излучения (6). Эта оценка справедлива, пока

При больших токах пучка величину

удаётся определить только численно. В оптимальных условиях, когда геометрии пучка и плазмы совпадают, значения h весьма высоки и медленно спадают с ростом тока пучка (рис.).

Зависимость кпд генерации

электромагнитного излучения в плазменном генераторе с релятивистским пучком от тока пучка I_b.

При

1 МэВ и I_b = 2I₀ 25 кА (в пучке с

0,15 см при этом п_b 5 x 10¹² см^-3)

0,2, т.е. ок. 20% электрич. энергии пучка может перейти в энергию эл--магн. излучения; мощность излучения составит 5 ГВт. Поскольку фазовая скорость эл--магн. волн при этом очень близка к скорости света, всё излучение практически без потерь будет выходить из плазмы (потери вследствие отражения от поверхности плазмы не превышают 2,5%).
Частота генерируемого излучения в случае

даётся ф-лой

Здесь

- поперечное волновое число возбуждаемой пучком плазменной эл--магн. волны. В случае возбуждения аксиально-симметричных мод колебании в плазме с трубчатой геометрией, совпадающей с геометрией пучка (r_ь = r_р,), имеем

Из ф-л (7) и (8) следуют весьма важные выводы. При условии

в системе будет возбуждаться одна единственная осн. мода колебаний, частота к-рой растёт с увеличением плотности плазмы; т. е. частота, в отличие от вакуумной электроники, не жёстко связана с размерами резонатора, а может меняться в широком диапазоне. Для указанных выше параметров плазмы и пучка

2,5 x 10¹¹ с^-1 (что соответствует длине волны

8 мм) при "рмакс

5 x 10¹³ см^-3. Поскольку фазовая скорость возбуждаемой волны близка к скорости света, поле волны сильно непотенциально, причём энергия поля составляет 20% от энергии пучка. А это означает, что напряжённость поля достигает величины Е_макс ⁼3 x 10⁶ В/см; такое поле может обеспечить ускорение заряж. частиц в плазме до энергии 300 МэВ на длине 100 см, что безусловно является ещё одним преимуществом сильноточной релятивистской П. э.
Такое высокоэфф. возбуждение эл--магн. излучения, так же как и эфф. ускорение заряж. частиц волнами в плазме, возможно только в условиях одномодового возбуждения, т. е. в условиях (9). Если же плотность плазмы очень велика, так что выполняется неравенство

для большого числа мод колебаний, то в плазме происходит возбуждение многомодового излучения, к-рое быстро поглощается электронами плазмы и приводит к их разогреву. Кпд преобразования энергии пучка в энергию многомодового излучения при этом остаётся прежним (6), что позволяет дать оценку разогрева электронов плазмы сильноточным релятивистским электронным пучком:

Для приведённых выше параметров пучка при п_р 10¹⁵ см^-3 имеем Т_е500 эВ (5 x 10⁶К), что свидетельствует о возможности нагрева плазмы сильноточными пучками электронов до высоких термоядерных температур и инициирования термоядерных реакций.
Сильноточные релятивистские электронные пучки имеют ещё одно преимущество. Они могут инициировать плазменно-пучковый разряд и создавать плазму высокой плотности в разл. плазмохим. реакторах. Обладая большой энергией в целом, релятивистские электронные пучки способны обеспечить большой выход в одном импульсе и высокую ср. мощность при использовании пучков импульсно-периодич. режимов. А высокая энергия электронов обусловливает хорошую однородность плазмохим. реакторов даже при очень больших давлениях газа в них, намного превышающих атмосферное. Именно благодаря таким преимуществам на плаз-менно-пучковом разряде с использованием сильноточных релятивистских электронных пучков реализованы химические лазеры на водородо-фтористых смесях, дающие когерентное излучение на длине волны

3 мкм с энергией до неск. кДж в импульсе длительностью

100 нc и обладающие кпд по отношению к энерговкладу пучка в газ до 700%. Созданы эксимерные плазменные лазеры на смесях Аr + Fr + Кr субмикронного диапазона длин волн с энергией до 1 кДж в импульсе длительностью

40 нc и кпд до 10%.
Релятивистская П. э., в особенности экспериментальная, сделала только первые шаги. Теория уже сформулировала ряд интересных физ. проблем, связанных с релятивизмом и сильноточностью пучков, к-рые требуют эксперим. исследования. Тем не менее много нерешённых проблем осталось и у теории, и в первую очередь исследования разл. механизмов взаимодействия электронных пучков с плазмой.

Литература по плазменной электронике

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.