ВАЖНЕЙШИЕ ДОСТИЖЕНИЯ ИСЭ СО РАН 2004

СОЗДАНИЕ МОЩНОЙ ШИРОКОАПЕРТУРНОЙ ЭКСИМЕРНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ

Создана и запущена широкоапертурная эксимерная лазерная система, позволяющая формировать высококачественное излучение на длине волны 308 нм в пучке диаметром 40 см. Система состоит из трех электроразрядных лазеров и двух лазеров, возбуждаемых электронным пучком. Качественный пучок формируется в первом лазере и затем усиливается в четырех усилителях. На данной системе получено излучение с расходимостью 0.05 мрад и шириной спектральной линии 1 см-1, лазерный пучок имеет энергию до 300 Дж в импульсе длительностью 210 нс. Созданная лазерная система является уникальной и не имеет аналогов в России.

Эксимерные лазерные системы являются наиболее мощными и эффективными источниками высококачественного ультрафиолетового лазерного излучения. Данные системы являются наиболее перспективными для моделирования инерционного термоядерного синтеза и проведения фундаментальных исследований по взаимодействию сверхмощных потоков излучения с веществом. В связи с этим, разработка и создание таких систем является актуальной задачей.

Созданная лазерная система стоит в ряду наиболее мощных эксимерных лазерных систем мира и не имеет аналогов в России. Она состоит из пяти эксимерных лазеров, три из которых возбуждаются электрическим разрядом, а два — электронным пучком. В режиме свободной генерации лазеры, возбуждаемые электронным пучком, генерируют импульсы излучения с длительностью 250 нс и энергией 100 и 600 Дж. Диаметр лазерных пучков составляет 25 см и 40 см, соответственно. Запуск и синхронизация всех лазеров осуществляется с помощью низковольтных и высоковольтных импульсов, временной разброс включения установок составляет ±(10—20) нс. Управление лазерной системой осуществляется компьютером.

На базе первого лазера создан задающий генератор, который обеспечивает пучок с энергией 50 мДж, длительностью импульса излучения 250 нс, шириной спектральной линии 1 см-1 и расходимостью близкой к дифракционному пределу. При работе лазерной системы остальные лазеры выполняют функцию усилителей. В режиме усиления на выходе электроразрядных лазеров был получен импульс излучения с энергией 5 Дж, расходимостью 0.05 мрад и шириной линии 1 см-1. Дальнейшее усиление пучка на одном проходе в третьем усилителе повышало энергию излучения до 45 Дж, а в выходном усилителе до 300 Дж. Длительность импульса на полувысоте амплитуды составляет 210 нс. При фокусировке полученного излучения на мишень можно будет получать плотности энергии в сотни килоджоулей на квадратный сантиметр.

Рис. 1. Широкоапертурный выходной усилитель, возбуждаемый электронным пучком
Лаборатория газовых лазеров, заведующий д.ф.-м.н. Лосев В. Ф., отдел импульсной техники, заведующий акад. Б. М. Ковальчук, лаборатория оптических излучений, заведующий д.ф.-м.н. В. Ф. Тарасенко, лаборатория высокочастотной электроники (заведующий д.ф.-м.н. В. И. Кошелев, отв. исполнитель к.ф.-м.н. Э. Н. Абдуллин), отдел физической электроники, заведующий акад. С. Д. Коровин, лаборатория плазменной эмиссионной электроники, заведующий д.т.н. Н. Н. Коваль
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ГОРЕНИЯ КАПЕЛЬНЫХ ПЯТЕН ВАКУУМНОЙ ДУГИ

На основе сравнительного анализа осадка неиспарившейся доли капель экспериментально продемонстрирована возможность многократного снижения доли капельной фракции эрозии катодов вакуумных дуговых разрядов за счет интенсивного испарения капель в полете. Последнее достигнуто путем повышения электронной концентрации и температуры в истекающей из катодного пятна плазменной струе в условиях отражательного (пеннинговского) разряда. На основании модельных расчетов показано, что наблюдаемое в эксперименте эффективное испарение капель происходит за счет зажигания капельных пятен (термоэмиссионных униполярных дуг на каплях). Полученные результаты открывают путь существенного снижения загрязнения плазмы вакуумных дуговых разрядов капельной фракцией.

Разработана теоретическая модель теплообмена металлической капли с неравновесной плазмой, учитывающая термоэлектронную эмиссию с поверхности капли. Расчетные зависимости стационарной температуры микрокапель от концентрации плазмы приведены на рис. 1. Установлено, что возможны два принципиально различных квазистационарных режима теплообмена: низкотемпературный (нижняя ветвь кривых на рис. 1) и высокотемпературный (термоэмиссионный, верхняя ветвь). Показано, что переход в термоэмиссионный режим сопровождается зажиганием так называемого капельного пятна (термоэмиссионной униполярной дуги на поверхности капли), обнаруженного авторами ранее в условиях слаботочной вакуумной дуги. При появлении интенсивной термоэлектронной эмиссии потенциал капли сравнивается с потенциалом плазмы, и за счет роста хаотического потока плазменных электронов поток тепла на каплю резко увеличивается. Это вызывает существенное повышение температуры капли и, соответственно, ее более интенсивное испарение.

Высокая эффективность испарения микрокапель при горении капельных пятен продемонстрирована экспериментально методом сравнительного анализа осадков капель на подложках, полученных в двух различных режимах горения вакуумного дугового разряда длительностью 300 мкс и током 50 А. Эксперименты проводились в разрядной ячейке Пеннинга. Катодное пятно возбуждалось на выполненной из различных материалов вставке одного из плоских катодов ячейки. Подложка для сбора осадка капель располагалась за отверстием во втором плоском катоде ячейки на расстоянии 3 см от катодного пятна. В первом режиме магнитное поле в разрядной ячейке отсутствовало, то есть никаких специальных мер для испарения капель в струе катодной плазмы не предпринималось. Во втором режиме в пеннинговской ячейке создавалось магнитное поле напряженностью 1.3 кЭ и зажигался сильноточный отражательный разряд, т.о. создавались условия для дополнительной ионизации вещества катодной струи. В первом режиме измеренные величины концентрации и температуры электронов в плоскости второго катода составили (6—8)*1011 см-3 и 3—4 эВ, соответственно, а во втором режиме – (3—4)*1012 см-3, 6—8 эВ.

Для катодов, изготовленных из лекгоплавких материалов (Ga, Cu) существенного изменения количества капель в осадке при переходе от одного режима к другому не наблюдалось. Типичные распределение микрокапель по размерам для обоих режимов с катодом из Zr приведены на рис. 2. В этом случае как наибольший размер капель, так и их количество при переходе от первого ко второму режиму разряда существенно уменьшались. Наибольшие отличия наблюдались в средне- и крупнодисперсных частях распределений (d > 1 мкм), где количество капель одного размера отличалось в 4—6 раз.

Для циркониевых капель реализуемые в эксперименте параметры плазмы в основной части разрядной ячейки были близки к минимальным, необходимым для реализации термоэмиссионного режима теплообмена капли с плазмой (зажигания капельного пятна). В этих условиях повышение концентрации и температуры электронов в плазме при переходе от первого режима разряда ко второму оказалось решающим для поддержания функционирования капельных пятен и, как следствие, для эффективного испарения капель. В случае медного катода достигаемые в условиях эксперимента параметры плазмы слишком далеки от необходимых для зажигания капельных пятен. Это и объясняет отсутствие разницы в параметрах осадка капель в случае медного катода. Полученные результаты открывают путь существенного снижения загрязнения плазмы вакуумных дуговых разрядов капельной фракцией.

Рис. 1. Расчетные зависимости стационарной температуры капель от концентрации окружающей плазмы: 1 — вольфрам, kTe = 4 эВ; 2 — медь, kTe = 4 эВ; 3 – цирконий, kTe = 4 эВ; 4 – цирконий, kTe = 8 эВ.
Рис 2. Распределения капель Zr в осадке по диаметрам Nd в первом (1) и втором (H=1.3 кЭ) режимах (2).
Лаборатория вакуумной электроники, заведующий д.ф.-м.н. Проскуровский Д. И.; лаборатория теоретической физики, заведующий д.ф.-м.н. Козырев А. В.
ФОРМИРОВАНИЕ ГИГАВАТТНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ИМПУЛЬСОВ ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Показана возможность формирования с высокой эффективностью направленных волновых пучков сверхширокополосного излучения гигаваттного уровня мощности при возбуждении многоэлементной антенной решётки от одного генератора биполярных импульсов напряжения через волновой трансформатор. Получены импульсы излучения наносекундной длительности с напряженностью электрического поля E = 1.7 МВ / R в дальней зоне на расстоянии R от излучателя.

Перспективным направлением создания источников высоконаправленных волновых пучков сверхширокополосного излучения большой мощности является применение многоэлементных решёток, возбуждаемых от одного высоковольтного генератора с последующим распределением мощности по элементам решётки через фидеры одинаковой длины. Это позволяет обеспечивать синхронное возбуждение антенн в решётке без нестабильности, присущей схеме с возбуждением каждой антенны от отдельного генератора. При высоком уровне мощности, излучаемой одним элементом, и большим числом элементов в решётке такой подход позволяет получить пучки направленной электромагнитной энергии с высокой напряженностью поля.

Рис. 4. Источник мощных импульсов сверхширокополосного излучения

На основе данного подхода разработан источник мощных (~ 1 ГВт) импульсов сверхширокополосного излучения на основе возбуждения 16-ти элементной антенной решётки размером 1.2 * 1.3 м биполярным импульсом напряжения длительностью 2 нс, амплитудой 230 кВ и частотой повторения 100 Гц (рис. 4). Биполярный импульс напряжения подаётся к 16-ти канальной фидерной системе через волновой трансформатор импедансов 50/3.125 Ом. Формирователь биполярных импульсов, созданный по новой схеме, заряжается монополярным импульсом длительностью 4.5 нс и амплитудой 180 кВ от генератора СИНУС-160. Генератор биполярных импульсов на частоте 100 Гц обеспечивает непрерывную работу в течение одного часа и суммарную работу до 5 часов при нестабильности менее 5% без смены электродов разрядников. Сформирован волновой пучок излучения с шириной диаграммы направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях 20°. В главном направлении эффективное напряжение, равное произведению пиковой напряжённости поля E на расстояние R, cоставляет 1.7 МВ. В решётке использовались разработанные комбинированные антенны с эффективностью преобразования электрического импульса в электромагнитное излучение по энергии ~ 90% и пиковой мощности ~ 100%.


Лаборатория высокочастотной электроники, заведующий д.ф.–м.н. В. И. Кошелев; отдел физической электроники, заведующий акад. С. Д. Коровин; отдел импульсной техники, заведующий акад. Б. М. Ковальчук