Сильноточные пучки, сильнотоковые пучки. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Сильноточные пучки, сильнотоковые пучки - пучки заряженных частиц, в которых собственные поля оказывают определяющее воздействие на динамику пучка, то есть пучки "сильного" тока (не имеющие ничего общего с какой-либо точностью пучка). Характерный масштаб тока сильнотокового пучка равен

, где

кА (для электронов), m - масса, е - заряд электрона,

- растущая функция полной анергии частиц

(в единицах тс²), зависящая от конкретной геометрии пучка. Существ, превышение тока над I₀ может быть достигнуто лишь при скоростях частиц, близких к с, или при компенсации объёмного заряда пучка неподвижными ионами. По переносимой мощности сильнотоковые пучки достигают ~10¹³ Вт, по запасённой энергии - 10⁶ Дж, по энергии частиц

10 МэВ. Применяются как энергоноситель в схемах с быстрой кумуляцией энергии (инерциальный УТС; см. Инерциальное удержание плазмы), в приборах сильноточной электроники, для коллективного ускорения частиц (см. Коллективные методы, ускорения)и т. д. Генерируются в сильноточных ускорителях в диапазоне длительностей импульса от 10 не до 10 мкс.

Непосредственным источником электронного сильнотокового пучка обычно является высоковольтный диод, работающий в режиме ограничения тока пространственным зарядом. Длительность импульса определяется временем перекрытия диодного промежутка прпэлектродной плазмой. Плотность однородного тока эмиссии в плоском зазоре шириной d даётся законом «трёх вторых», j

, где

- анодное напряжение (в единицах mc²/е). При повышении анодного напряжения сверх значения

, где R - радиус катода, одномерность нарушается и диод переходит в режим сильного сжатия потока собств. магн. полем пинча (см. Пинч-эффект ).Эффективно эмиттирует тогда только кольцевая периферич. часть, а сильнотоковый пучок собирается на аноде вблизи оси в области с размером ~d. На осн. части диода линии тока сильнотоковых пучков лежат на искажённых пространственным зарядом эквипотенц. поверхностях, поэтому такой поток получил назв. парапотенциального. Максимальный ток сильнотокового пучка в паропотенциальном режиме равен

Для вывода C. п. из диода либо используется прозрачный для электронов фольговый анод, либо коаксиальный диод помещается в продольное магн. поле. Электронный парапотенц. поток трубчатой конфигурации движется в коаксиальном диоде вдоль цилиндрич. эквипотенц. поверхностей и не пересекает зазор в радиальном направлении (т. н. магн. изоляция). Достаточный для изоляции магн. поток через диод равен

Ток, отдаваемый коаксиальным диодом с магн. изоляцией, определяется пропускной способностью канала транспортировки, а длительность импульса - временем перекрытия зазора приэлектродной плазмой поперёк изолирующего магн. поля. Наилучшие результаты по длительности и устойчивости работы диода получены в неоднородном сходящемся магн. поле.

Распространение сильнотоковых пучков в вакууме возможно в продольном магнитном поле, заметно превышающем

, где а - радиус сильнотокового пучка, но даже в бесконечно большом поле ток не может превышать величину

, где b - радиус камеры дрейфа. Ограничение обусловлено повышением электростатич. потенциала в объёме пучка за счёт его пространственного заряда и слабее всего сказывается в случае трубчатого пучка. Приведённая энергия частиц в сильнотоковых пучках составляет при этом лишь

. Частичная нейтрализация пространственного заряда увеличивает предельный ток.

Поскольку сильнотоковый пучок в магнитном поле вращается как целое, ему свойствен сильный диамагнетизм, вплоть до обращения знака (реверса) поля внутри трубчатого пучка (так называемый Е-слой). С учётом диамагнетизма физически заданным параметром следует считать не ведущее магнитное поле, а полный магнитный поток, замороженный в камере дрейфа и перераспределяющийся по сечению при инжекции пучка. Для тонкостенного заряженного трубчатого пучка в магн. поле характерна неустойчивость, приводящая к разбиению его на отдельные спиралеобразные струи.

Полностью нейтрализованный сильнотоковый пучок не ограничен по току, но собственное магнитное поле сильно фокусирует его частицы, совершающие поперечные колебания с длиной волны порядка или меньше радиуса пучка. Поэтому ср. поперечный импульс частиц в сильнотоковом пучке больше продольного, а поперечное распределение плотности тока имеет выраженный трубчатый характер.

Зарядовая нейтрализация пучка происходит при инжекции в достаточно плотную плазму за счёт вытеснения из его объёма медленных плазменных электронов с характерным временем

, где

- проводимость плазмы. Если к моменту достижения нейтрализации ток сильнотокового пучка продолжает нарастать, то эдс индукции создаёт ток оставшихся плазменных электронов, направленный против тока пучка и вызывающий токовую нейтрализацию. При небольшой плотности плазмы, когда плазменная частота

, обратный ток распределён по всему объёму, так что токовая нейтрализация неполна и имеет интегральный характер. При

происходит локальная нейтрализация, за исключением поверхности сильнотокового пучка, где образуется двойной токовый слой толщиной

и сосредоточено магн, поле. В таких условиях частицы сильнотокового пучка практически свободны, а сам он электродинамически ненаблюдаем. Эффективность переноса пучком мощности и энергии через плазму на расстояния ~ 1м близка к 100%, но на больших расстояниях уменьшается за счёт разл. неустойчивостей сильнотокового пучка, в первую очередь поперечной неустойчивости, выражающейся в изгибании пучка как целого и разбиения его на отд. нити.

При инжекции пучка в нейтральный газ существенны процессы нестационарной ионизации, длительность к-рых может быть сравнима с длительностью сильнотокового пучка. Вначале за время (для воздуха) порядка (0,7/р) нс, где р - давление газа в мм рт. ст. (торрах), за счёт прямой ионизации образуется кол-во ионов, достаточное для зарядовой нейтрализации, и вторичные электроны перестают уходить поперёк пучка. После этого медленные электроны дают вторичную ионизацию, скорость к-рой определяется ускоряющим их индукционным электрич. полем и давлением. Если за время существования сильнотокового пучка успевает развиться ионизац. лавина, то проводимость скачком возрастает и все дальнейшие изменения тока сильнотокового пучка точно компенсируются обратным током по плазме, что приводит к фиксации степени токовой нейтрализации и конфигурации пучка в момент пробоя. Эффективность распространения мала при малых давлениях (ниже 10^-3 торр), когда нет даже зарядовой нейтрализации, достигает максимума при давлениях 0,1-1 торр, где может осуществиться токовая нейтрализация, а при больших давлениях падает из-за процессов рассеяния.

Сильнотоковый пучок положительных ионов (главным образом водорода) снимаются с прианодной плотной плазмы, имеющей эмиссионную способность до 1 кА/см², и выводятся в сторону катода. В режиме ограничения пространственным зарядом диодный промежуток в ср. нейтрален, но плотность полного тока превышает закон «трёх вторых» не более чем в два раза из-за локальной раскомпенсации ионного и электронного потоков. Ионы с массой М дают тогда лишь малую долю

от полного тока, переносимого в осн. встречными электронами. Для повышения эффективности служит магн. изоляция электронной компоненты, не влияющая на распространение ионов. В рефлексных ионных диодах используется прозрачный для электронов анод, вблизи к-рого создаётся увеличенная плотность осциллирующих электронов. При этом может быть заметно превышен предел «трёх вторых» для ионов. Современные конструкции диодов позволяют получать сильнотоковые пучки ионов ~МА при энергии ~1 МэВ и малой

угл. расходимости. Распространение сильнотоковых пучков ионов возможно только в условиях зарядовой нейтрализации медленными сопровождающими электронами.

Литература по сильнотоковым пучкам

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

Сильнотоковые (сильноточные) пучки

Литература по сильнотоковым пучкам