к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Сильнотоковые ускорители

  1. Принцип действия сильнотокового ускорителя
  2. Генератор мощных высоковольтных импульсов
  3. Параметры сильноточных ускорителей с параллельным соединением модулей
  4. Параметры сильноточных ускорителей со сложением напряжений модулей
  5. Транспортировка пучков в сильнотоковых ускорителях
  6. Применение сильнотоковых ускорителей
  7. Литература по сильноточным пучкам
  8. Пространственный (объемный) заряд
  9. Плотность заряда в классической электродинамике
  10. Движение заряженных частиц в эл. и магн. полях
  11. Дебаевский радиус экранирования
  12. Пространственный заряд в ионном пучке
  13. Пространственный заряд в электронных лампах
  14. Диффузия носителей заряда в полупроводниках
  15. Коронный разряд
  16. Плазмооптические системы
  17. Акустоэлектронное взаимодействие
  18. Ионный источник
  19. Магнитный заряд
  20. Электронный пучок
  21. Сильноточные (сильнотоковые) пучки
  22. Сильнотоковые ускорители
  23. Анодное падение
  24. Электрические разряды в газах
  25. Термоэлектронная эмиссия
  26. Электронная пушка
  27. Вещественный электрический ток
  28. МДП-структура
  29. Энергия электромагнитного поля
  30. Электронно-лучевые приборы
  31. Ленгмюра формула
Сильнотоковые ускорители - установки для получения сильноточных пучков заряж. частиц (электронов и ионов), создающих ток I > 104 А при энергии частиц >105 эВ. Сильнотоковый ускоритель содержит источник импульсов высокого напряжения и вакуумный диод, на к-рый это напряжение подаётся и в межэлектродном промежутке к-рого происходит ускорение (рис. 1). Большинство сильнотоковых ускорителей являются ускорителями прямого действия, в к-рых частицы получают весь прирост энергии за один проход через ускоряющий промежуток (вакуумный диод), на электроде к-рого они и образуются.

8033-41.jpg

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.

Принцип действия сильнотокового ускорителя

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 =8033-42.jpg . Через время8033-43.jpg 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:8033-44.jpg где8033-45.jpg - 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 токе8033-46.jpg 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 в8033-47.jpg раз меньше плотности электронного тока. Эффективность ионных источников достигает 50-60% при импульсном токе ионов I0 ~ 1 МА и напряжении ~ 1 MB.
8033-48.jpg

Рис. 2. Траектории электронов в диоде с малым (а) и большим (б) токами; в ~ в диоде с магнитной изоляцией.
8033-49.jpg

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;8033-50.jpg - траектории ионов; В - виртуальный катод (плоскость остановки электронов).

Генератор мощных высоковольтных импульсов

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 длительностью8033-51.jpg 100 нс. Такую же схему имеют сильнотоковые ускорители с длительностью пучка8033-52.jpg1 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).

Табл. 1. Параметры сильноточных ускорителей с параллельным соединением модулей

8033-53.jpg

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.

Табл. 2. Параметры сильноточных ускорителей со сложением напряжений 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 в сильнотоковых ускорителях

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-рого8033-54.jpg [кГс*см], но макс. ток ограничен теоретич. значением8033-55.jpg, где R - радиус канала транспортировки. При наличии в пучке положит. ионов с относит. плотностью8033-56.jpg (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.

Применение сильнотоковых ускорителей

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.

Литература по сильнотоковым пучкам

  1. Смирнов В. П., Получение сильноточных пучков электронов, «ПТЭ», 1977, № 2, с. 7;
  2. Накопление и коммутация энергии больших плотностей, пер. с англ., М., 1979;
  3. Генерация и фокусировка сильноточных релятивистских электронных пучков, М., 1990.

А. Н. Лебедев, Б. Н. Яблоков

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

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.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 03.12.2019 - 22:04: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Марины Мелиховой - Карим_Хайдаров.
03.12.2019 - 11:12: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю.Ю. Болдырева - Карим_Хайдаров.
30.11.2019 - 19:55: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ - Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
30.11.2019 - 18:13: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
29.11.2019 - 08:14: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Декларация Академической Свободы - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:31: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> КОМПЬЮТЕРНО-СЕТЕВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:30: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:27: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА - Карим_Хайдаров.
23.11.2019 - 12:17: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
19.11.2019 - 09:07: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
18.11.2019 - 19:10: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution