Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 3 04;10;12 Зависимость устойчивости транспортировки сильноточного релятивистского электронного пучка в плотных газовых средах от параметров создаваемого плазменного канала й Н.А. Кондратьев, В.И. Сметанин Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете, 634050 Томск, Россия e-mail: alex@npi.tpu.ru (Поступило в Редакцию 14 ноября 2003 г. В окончательной редакции 2 июля 2004 г.) Представлены результаты по определению динамики плазменного канала, созданного сильноточным электронным пучком (энергия электронов Ee = 1.1 106 eV, ток пучка Ib = 2.4 104 A, длительность импульса t = 60 10-9 s) в газах: гелий (He), азот (N2), неон (Ne), воздух (Air), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe), влажный воздух (Air : H2O) при давлении от 1 до 760 Torr. Экспериментально подтверждено, что в газах, имеющих малое значение отношения частоты столкновений к скорости ионизации газа ui, электронный пучок формирует широкий плазменный канал высокой проводимости Rb/Rp < 1 (где Rb Ч радиус пучка, Rp Ч радиус плазменного канала), обеспечивающий подавление крупномасштабной резистивной шланговой неустойчивости (РШН).

Введение Экспериментальное оборудование Эксперименты были проведены на ускорителе ДТоПовышенный интерес к прикладному использованусУ [14], генерирующем РЭП с параметрами: энернию сильноточных релятивистских электронных пучгия электронов Ee = 1.1 106 eV, ток пучка Ib = ков (РЭП), взаимодействующих с различными газовы= 2.0-2.4 104 A, длительность импульса te = 60 10-9 s.

ми средами, предопределен не только их уникальными Сильноточный электронный пучок, имеющий диаметр возможностями по транспортировке энергии высокой на выходе из ускорителя 5 10-2 m, инжектировался плотности через газ, но и возможностью осуществления через анодную титановую фольгу толщиной 50 10-6 m ряда селективных плазмохимических реакций или синв металлическую трубу дрейфа (ТД), имеющую диатеза соединений в пучковой плазме [1Ц3]. Однако устойметр 9.2 10-2 m, заполняемую различными газами при чивая транспортировка РЭП через различные газовые давлениях от 1 до 760 Torr (рис. 1). Сильноточный среды может быть нарушена или вообще сорвана из-за развития крупномасштабных неустойчивостей, среди которых определяющей является резистивная шланговая неустойчивость (РШН) [4]. Данная неустойчивость была и по-прежнему остается предметом многочисленных теоретических и экспериментальных исследований [5Ц8].

При изучении механизмов развития РШН не были оставлены без внимания исследователей и процессы, касающиеся образования плазменного канала формируемого пучком в газе [9Ц13]. Результаты этих исследований получены в основном для ограниченного числа газовых сред: воздуха, азота, аргона, находящихся при давлениях узкого диапазона. В этом случае достаточно проблематично выявить основные определяющие закономерности устойчивой или нейстойчивой транспортировки РЭП в зависимости от параметров и сорта газовой среды. Опре- Рис. 1. Схема экспериментального оборудования и измерений:

1 Ч катод ускорителя, 2 Чанод, 3 Ч труба дрейфа, 4 Ч деление и учет этих основных закономерностей могут экспериментальная камера регистрации проводимости, 5 Ч быть использованы при разработке методов подавления кольцевые держатели фольг, 6 Ч измерительные фольги, или стабилизации РШН, которые необходимо применять 7 Ч секционированный вакуумированный цилиндр Фарав различных технологических приложениях с участием дея, C1-C5 Ч измерительный и компенсационные емкости, сильноточных электронных пучков. R1-R6 Ч измерительные сопротивления.

5 68 Н.А. Кондратьев, В.И. Сметанин Таблица 1.

Сорт газа M.m., kg/m3, 109 s-1 U0, eV g, 10-16 cm2 Ethr, kV/cm Et/P, V/(cm Torr), ion s/cmHe 4.0 0.17 6.69 24.5 2.83 2.4 13.0 1.7 10-Ne 20.1 0.90 4.20 21.5 4.14 5.3 1.9 2.1 10-N2 28.1 1.25 7.45 15.5 7.80 46.0 1.4 10-Air 28.9 1.29 16.3 31.2 42.0 2.5 10-Ar 39.9 1.78 5.90 15.7 6.46 7.5 3.6 3.0 10-Kr 83.8 3.74 5.30 14.0 7.54 17.5 6.0 10-Xe 131.3 5.58 5.80 12.0 9.16 18.2 2.0 10-Air + H2O 13.9 25.П р и м е ч а н и е. M.m. Ч молекулярная масса, Ч плотность, Ч частота столкновений при 15C и давлении 760 Torr, U0 Ч потенциал ионизации, g Ч газокинетическое сечение ионизации, Ethr Ч пробивное статическое напряжение, Et/P Ч напряжение пробоя при давлениях, близких к атмосферному, Ч коэффициент диссоциативной рекомбинации.

РЭП транспортировался в следующих газовых средах: полях возбуждаемых ленгмюровскими колебаниями), гелий (He), азот (N2), неон (Ne), воздух (Air), ар- рекомбинация (электрон-ионная и ион-ионная), обрагон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe), влажный воздух зование кластеров и отрицательных ионов, кинетика (Air : H2O). В ходе экспериментов длина ТД изменя- селективных химических реакций протекающих в канале лась и составляла для первого варианта L1 = 0.4m, транспортировки РЭП и т. д. Характер протекания этих для второго варианта L2 = 1.4 m. Изменение длины ТД процессов зависит не только от параметров самого РЭП обеспечивало проведение необходимых измерений на (энергия электронов, величина тока и диаметр пучка), но расстояниях от анода ускорителя, на которых действие также и от давления и сорта газа. Набор используемых крупномасштабной неустойчивости не могло оказывать в экспериментах газов позволил осуществлять транссущественное влияние (L1) и тогда, когда ее развитие портировку пучка в средах, значительно различающихся может значительно изменить траекторию распростране- между собой по основным параметрам и константам.

ния РЭП (L2). В ходе экспериментов измерялись следу- В табл. 1 данные газовые среды представлены в порядке ющие параметры: эффективность токопрохождения РЭП возрастания их молекулярной массы (M.m.) и плотнов ТД на расстояниях L1 и L2 от анода ускорителя как сти (kg/m3), а также приведен ряд наиболее важных, на отношение тока пучка, измеренного вакуумированным наш взгляд, газовых констант. Безусловно, что в первую цилиндром Фарадея (ЦФ) в конце ДТ (Ib), к току очередь интересны параметры, определяющие процессы пучка, измеренному на выходе из ускорителя (Iinj), ионизации: потенциал ионизации U0, частота столкновет. е. Ib/Iinj; распределение плотности тока по сечению ний, газокинетическое сечение ионизации g. Для проканала транспортировки, измеренное секционированным цесса электрического пробоя газа релятивистским элекЦФ, аналогично экспериментам, представленным в [15]; тронным пучком наибольшую значимость представляют радиальный профиль проводимости плазменного канала, такие параметры, как пробивная статическая напряженность электрического поля Ethr, пороговый уровень созданного РЭП в газе, и его временная динамика по пробоя при давлениях, близких к атмосферному Et/P, методике, изложенной в [16].

где Ethr Ч напряженность электрического поля, P Ч давление газа [17].

Параметры используемых газов При инжекции и транспортировке сильноточного РЭП Полученные результаты в плотном нейтральном газе уровень проводимости и и их обсуждение динамика плазменного канала, формируемого им, непосредственно зависят от характер атомных и молеку- На рис. 2 представлены результаты измерений раслярных процессов протекающих в данном газе. Извест- пределения плотности тока ( je) сильноточного РЭП по но, что количество таких классифицируемых процессов сечению канала транспортировки, полученные с помозначительно превышает несколько десятков. Среди них щью секционированного ЦФ, для длин ТД L1 = 0.4m наиболее значимыми являются ионизация электронным и L2 = 1.4 m, которые для большей наглядности были ударом (упругие и неупругие столкновения, потеря совмещены с результатами измерений радиальной проэнергии электронов на возбуждение колебательных и водимости пучковой плазмы (измерения выполнены вращательных атомных уровней), многоступенчатая дис- на длине L1 = 0.4m). В проведенных исследованиях социация, фотоионизация, лавинная ионизация (вторич- диапазон давления газов находился в пределах от ными электронами и ионами, а также за счет передачи до 760 Torr, но в силу действующего ограничения на энергии молекулярных колебаний, плазменными элек- объем представляемого материала статьи все данные на тронами, приобретающими энергию в высокочастотных рис. 2 приведены для одного значения давления газов Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Рис. 2. Распределения плотности тока ( je) сильноточного РЭП по сечению канала транспортировки, полученные с помощью секционированного ЦФ, для длин ТД L1 = 0.4m и L2 = 1.4 m, и результаты измерений радиальной проводимости пучковой плазмы (измерения выполнены на длине L1 = 0.4m): a Ч радиальное изменение проводимости плазменного канала созданного РЭП в различных газовых средах в следующие моменты времени: 1 Ч10 10-9, 2 Ч20 10-9, 3 Ч30 10-9, 4 Ч40 10-9, 5 Ч50 10-9, 6 Ч60 10-9, 7 Ч70 10-9, 8 Ч80 10-9 s от начала импульса РЭП; b,c Ч распределение плотности тока ( je) сильноточного РЭП по сечению канала транспортировки на расстоянии от ускорителя L1 = 0.4m (a) и L2 = 1.4m (b) в следующие моменты времени: 10 Ч10 10-9, 20 Ч20 10-9, 30 Ч30 10-9, 40 Ч40 10-9, 50 Ч50 10-9, 60 Ч60 10-9 s от канала импульса РЭП. Номера ламелей секционированного цилиндра Фарадея, расположенные по оси распространения, соответствуют радиусу R: 1 Ч0, 2 Ч1.15 10-2, 2 Ч2.15 10-2, 3 Ч3.15 10-2, 4 Ч4.15 10-2, 5 Ч2.15 10-2, 6 Ч4.25 10-2 m.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Зависимость устойчивости транспортировки сильноточного релятивистского электронного пучка...

70 Н.А. Кондратьев, В.И. Сметанин Таблица 2. Эффективность токопрохождения (Ib/Iinj) и вычисленное значение степени токовой компенсации f в исследуемых m газах, регистрируемые при L2 = 1.4m 1Torr 10 Torr 100 Torr 300 Torr 760 Torr Сорт газа Ib/Iinj f Ib/Iinj f Ib/Iinj f Ib/Iinj f Ib/Iinj f m m m m m Ne 0.70 0.78 0.70 0.75 0.60 0.70 0.50 0.68 0.40 0.Ar 0.68 0.72 0.60 0.68 0.56 0.64 0.45 0.62 0.30 0.He 0.67 0.70 0.65 0.65 0.40 0.63 0.20 0.59 0.10 0.Air 0.68 0.72 0.58 0.68 0.32 0.65 0.30 0.60 0.28 0.N2 0.75 0.70 0.50 0.67 0.20 0.62 0.22 0.58 0.18 0.Air : H2O - - 0.45 0.60 0.35 0.58 0.30 0.56 0.10 0.Kr 0.45 0.70 0.45 0.68 0.15 0.65 - - - Xe 0.45 0.68 0.28 0.64 0.10 0.60 - - - P = 300 Torr как наиболее характерного и отражающего проводимость плазмы, re Ч радиус пучка. Для РЭП, все особенности полученных результатов. В свою оче- смещающегося в поперечном направлени относительно редь результаты определения эффективности токопрохо- оси распространения, смещение его магнитного поля, ждения (Ib/Iinj) в исследуемых газах, регистриуемые для зависящее от проводимости плазмы, происходит медленL2 = 1.4 m, представлены в табл. 2.

нее и отстает по фазе от смещения пучка. Движение Достаточно высокие значения эффективности токо- же пучка относительно собственного магнитного поля прохождения, полученные при L1 практически для всех индуцирует в плазме обратный ток I, который проp газовых сред, вполне объяснимы с точки зрения устойстранственно разделен с током РЭП Ib, и магнитное расчивого распространения РЭП. Взаимодействие пучка с талкивание встречных токов приводит к дальнейшему образуемой им плазмой обеспечивает полную зарядоувеличению амплитуды смещения пучка. Возрастающая вую нейтрализацию и высокое значение степени токоамплитуда поперечных колебаний РЭП является следвой компенсации f, которую можно определить как m ствием РШН. Подобные колебания приводят к срыву f = I /Ib, где Ib Ч ток пучка электронов, I Чплазm p p процесса транспортировки на расстояниях, не превышаменный ток индуцированный вихревой эдс [18]. В этом ющих 1-3 бетатронных длины Lbet = re(IA/Ib)0.5, где случае основные потери электронного пучка связаны IA Ч ток Альфвена, Ib и re Ч ток и радиус пучка с ионизацией и возрастающим рассеянием на атомах соответственно [19]. Для РЭП, используемых в данных газа при повышении давления в ТД. Очевидное измеисследованиях, Lbet составляет порядка 0.3-0.35 m, и нение характера распространения РЭП зафиксировано безусловно, что результаты, представленные на рис. 2, при определении эффективности его транспортировки на свидетельствуют о таком характерном возрастании амдлине ТД, равной L2 = 1.4 m. Наиболее вероятным проплитуды поперечных колебаний РЭП, первоначально цессом, значительно снижающим эффективность токо(L1) с малым пространственным масштабом и всевозпрохождения РЭП, является в большинстве газовых сред растающим в дальнейшем (L2) до уровня, при котором развитие крупномасштабной неустойчивости, проявляпучок может быть выброшен на стенки трубы дрейфа, и ющейся в смещении электронного пучка относительно его дальнейшая транспортировка становится невозможоси распространения вплоть до его выброса на стенки ной как результат и прямое следствие развития РШН.

ТД (рис. 2,c). Незначительные поперечные колебания В работе [20] была исследована пространственная РЭП на дистанции L1 = 0.4 m от ускорителя, наиболее и временная эволюция РШН для РЭП, имеющего па заметные для He, N2, Air (рис. 2,b), с ростом давления раметры, соразмерные с нашими: энергия электронов газовой среды и увеличением длины транспортировки до Ee = 1.0 106 eV, ток Ib = 2-10 103 A, инжектируемый L2 = 1.4 m заметно усиливаются, приводя к нарушению в воздух при давлении P = 0.1-630 Torr. С помощью процесса распространения, несомненно, обусловленного индуктивных датчиков была определена скорость поразвитием крупномасштабной резистивной неустойчивоперечного смещения РЭП в зависимости от давления сти. Механизм резистивной шланговой неустойчивости газовой среды (P) и длины транспортировки (L). Мипучка в плазме конечной проводимости состоит в том, нимальная скорость смещения U = 1 107 cm/s соответчто на частицы, движущиеся в собственном магнитном ствовала P = 0.77 Torr, при этом величина смещения поле, при малых случайных колебаниях (изгибах) пучка пучка невелика и равна 1.0-1.2 10-3 m, а ДшланговаяУ начинает действовать центробежная сила. Смещение частота f = 30 106 Hz. Дальнейшее увеличение давРЭП в поперечном направлении под действием этой hose силы на расстоянии порядка собственного радиуса про- ления газа приводило к резкому возрастанию скорости исходит за время, большее времени диффузии магнитно- смещения, которая уже при P = 100 Torr составляла го поля в окружающей плазме td = 4gre/c2, где g Ч U 109 cm/s, а амплитуда поперечного смещения пучка Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Зависимость устойчивости транспортировки сильноточного релятивистского электронного пучка... от оси системы значительно превосходила его диаметр на процесс транспортировки РЭП в различных газах при P = 630 Torr (L > 0.7m, f = 180 106 Hz). сводятся к следующему.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам