ВАЖНЕЙШИЕ ДОСТИЖЕНИЯ ИСЭ СО РАН 2005

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ СУЩЕСТВОВАНИЯ «СЖАТОГО» СОСТОЯНИЯ СИЛЬНОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

Впервые экспериментально подтверждено существование «сжатого» состояния сильноточного электронного пучка — состояния с релятивистским фактором частиц меньшим, чем при предельном токе транспортировки.

Ранее в теории транспортировки интенсивных потоков заряженных частиц и численном моделировании было предсказано, что сильноточный электронный пучок, распространяющийся в круглой трубе дрейфа, может при одной и той же величине тока находиться либо в состоянии с относительно высокой кинетической энергией частиц и низкой плотностью — «быстрое» состояние — либо в состоянии с низкой кинетической энергией частиц и высокой плотностью — «медленное» или «сжатое» состояние (от англ. squeezed state). Однако на практике при обычных условиях реализуется лишь «быстрое» состояние пучка. Сжатое «состояние» пучка до настоящего времени в эксперименте не регистрировалось. В проведенных экспериментах, выполненных на сильноточном ускорителе электронов СИНУС-7 (длительность импульса 50 нс), исследовалась транспортировка плотного электронного пучка в двухсекционном канале дрейфа круглого сечения с образованием виртуального катода. Были проведены измерения электростатического потенциала пучка, тока за виртуальным катодом и тока перехода, при инжекции которого виртуальный катод, образованный в канале транспортировки большего радиуса вблизи плоскости соединения секций, начинает движение через канал меньшего радиуса к области инжекции, формируя за собой «сжатое» однопотоковое состояние пучка. Экспериментальные результаты хорошо согласуются с теоретическими оценками для токов и потенциалов при образовании «сжатого» состояния пучка, основанными на законе сохранения энергии и z-компоненты обобщенного импульса, а также с результатами компьютерного моделирования (PIC-код KARAT). Таким образом, впервые экспериментально зарегистрировано «сжатое» состояние электронного пучка, характеризуемое высокой плотностью заряда и малой кинетической энергией электронов: γb < Γ1/3, здесь Γ = 1+ eU/mc2— релятивистский фактор, соответствующий полному ускоряющему напряжению U.

Отдел физической электроники, заведующий — академик РАН С. Д. Коровин. Группа компьютерного моделирования лаборатории теоретической физики (заведующий группой — д.ф.-м.н. В. В. Рыжов).

Демонстрация фазовой привязки мощных СВЧ-импульсов в режиме генерации с высокой частотой следования импульсов

С использованием разработанного, не имеющий мировых аналогов, источника сверхкоротких (2.5 нс) СВЧ-импульсов черенковского типа с частотой излучения 3.7 ГГц, пиковой мощностью до 1 ГВт и частотой следования импульсов в непрерывном режиме работы 100 Гц, впервые продемонстрирован эффект фазовой привязки мощных СВЧ-импульсов в режиме импульсно-периодической генерации.

Разработанный источник мощных СВЧ-импульсов построен на основе сильноточного импульсно-периодического ускорителя электронов СИНУС с длительность импульсов тока ~ 12 нс и черенковского СВЧ-генератора типа ЛОВ. Конструкция источника обеспечивает возможность для декомпрессии рабочего электронного пучка в неоднородном магнитном поле, а также коррекцию формы импульса ускоряющего напряжения за счет использования промежуточного обостряющего разрядника. Пиковая мощность СВЧ-импульсов ~ 1 ГВт достигается при амплитуде ускоряющего напряжения 450 кВ и токе электронного пучка 4.5 кА. При этом коэффициент конверсии мощности электронного пучка в мощность излучения составляет ~ 0.5 (при меньшей мощности пучка и излучения — до 0.7). Данный результат получен с использованием существенной декомпрессии электронного пучка, когда магнитное поле на катоде в 2 с лишним раза превышает среднюю величину в замедляющей системе. Оптимальный режим генерации достигнут путем коррекции формы импульса ускоряющего напряжения. При отсутствии обострения фронта импульса, когда качество электронного пучка было самым низким, после 103—104 импульсов происходило заметное (в ~ 1.5 раза) снижение средней амплитуды регистрируемых СВЧ-сигналов. Одновременно возрастал амплитудный разброс и возрастала временная задержка. Значительная деградация процесса генерации (пропуски импульсов) наблюдалась после ~ 105 импульсов. При оптимально скорректированной форме импульса напряжения наступление данных негативных явлений отодвигалось: заметных изменений или дрейфа параметров импульсов излучения не происходило при непрерывной генерации 105—106 импульсов. В результате исследований были найдены условия для долговременной стабильной работы микроволновых источников и проведены тесты на ресурс, показавшие высокую стабильность параметров микроволнового излучения по крайней мере до 106 импульсов. Предпринятые меры по улучшению качества и стабилизации параметров рабочего электронного пучка позволили в ходе описанных выше экспериментов впервые продемонстрировать режим импульсно-периодической генерации коротких импульсов сверхизлучения с высокой стабильностью длительности импульса, амплитуды и фазы ВЧ поля по отношению к фронту ускоряющего напряжения электронного пучка: разброс высокочастотной фазы был значительно меньше, чем . Данный результат дает возможность для решения задачи когерентного сложения мощности СВЧ-импульсов в возможной схеме питания линейки СВЧ-систем от одного низкоимпедансного высоковольтного генератора, открывает возможности для фазового анализа сигналов при использовании мощных коротких СВЧ-импульсов для радиолокации.

(Отдел физической электроники, заведующий — академик РАН С. Д. Коровин)
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ БЫСТРЫХ ИОНОВ РАЗЛЕТАЮЩЕГОСЯ ПЛАЗМЕННОГО СГУСТКА

В экспериментах по генерации быстрых ионов в устройстве типа «обратный Z-пинч» впервые измерен энергетический спектр быстрых ионов (дейтонов), генерируемых при разлете сформированного плазменного сгустка.

Данные исследования направлены на понимание физики процессов и механизмов генерации быстрых ионов при формировании и последующем разлете в вакуум плазменных сгустков. Проведено измерение энергетического спектра быстрых ионов, генерируемых при радиальном (от оси) ускорении плазмы в конфигурации обратного Z-пинча. Эксперименты выполнены на сильноточном генераторе МИГ при уровне тока через плазменную оболочку до 2 МА. Энергетический спектр ионов в плазменном потоке измерялся набором ионных коллекторов по времяпролетной методике. Были разработаны и применялись коллекторы со смещением, с поперечным магнитным полем и с тонкопленочными фильтрами. Эксперименты показали, что при энергии дейтонов в основном плазменном сгустке 2—10 кэВ быстрые ионы с энергией более 20 кэВ могут содержать существенную часть энергии генератора, переданной ускоренному сгустку.

(Отдел высоких плотностей энергии, заведующий — д.ф.-м.н. Н. А. Ратахин)