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 удержаниеплазмы), 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
Диденко А. Н., Григорьев В. П., Усов Ю. П., Мощные электронные пучки и их применение, М., 1977;
Миллер Р., Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц, пер. с англ., М., 1984;
Быстрицкий В. М., Диденко А. Н., Мощные ионные пучки, М., 1984.
Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса? (Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды. Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
, 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.
, 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. 
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.
,
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.
, 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.
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.
