Формирование пучков заряженных частиц и их применение в радиационных технологиях

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................6
ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОГО ЭМИТТЕРА ИОНОВ.......................27
1.1. АКТУ АЛЫ ЮСТЬ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИОННОГО ЭМИТТЕРА 27
1.2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАЗМЫ ЭМИТТЕРА ИОНОВ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА В ПАРАХ МЕТАЛЛА................................30
1.2.1. Описание экспериментальной установки и методов диагностики....30
1.2.2. Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение.....34
1.3. ОСОБЕННОСТИ ВВОДА ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В ПЛАЗМЕННЫЙ ЭМИТТЕР ИОНОВ...............................................41
1.3.1. Взаимодействие заряженных частиц с аксиально-симмегричным
стационарным магнитным полем.........................................41
1.3.2. Исследование движения заряженных частиц в магнитных ловушках
гиперболической геометрии............................................44
1.3.3. Движение пучка релятивистских частиц в ловушке с гиперболической
конфигурацией магнитного поля........................................46
1.3.4. Исследование траекторий заряженных частиц в магнитной системе.47
1.3.5. Результаты численного моделирования траекторий частиц.........48
1.3.6. Анализ результатов исследования траектории движения электронов в
магнитных системах с гиперболической геометрией......................50
1.3.7. Эксперментальное исследование динамики пучка заряженных частиц в
магнитной ловушке с гиперболической конфигурацией....................52
1.4. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.................................................53
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОАКТИВНОГО ПЛАЗМЕННОГО ЭМИТТЕРА ИОНОВ.........................................................55
2.1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................56
2.2. УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИОННОГО ЭМИТТЕРА С ГОРЯЧИМИ
ЭЛЕКТРОНАМИ И ДИАГНОСТИКА..............................................58
2.3. ДИФФУЗИОННАЯ МОДЕЛЬ НАГРЕВА ЭЛЕКТРОНОВ В ИОННОМ ЭМИТТЕРЕ...............................................................59
2.3.1. Скорость расширения и диффузии плазмы ионного эмиттера........59
2.3.2. Параметры и характеристики ионного эмиттера...................67
2.4. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.................................................73
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ И УСКОРЕНИЯ МНОГОАМПЕРНЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ............................................74
3.1. КЛАССИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИОНОВ ИЗ ПЛАЗМЕННОГО ЭМИТТЕРА...............................................................74
3.2. УСКОРЕНИЕ ИОННОГО ПОТОКА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ ПРИ ЗАМАГНИЧЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТЫ.................................77
2
3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ПОЛУЧЕНИЯ ИНТЕНСИВНЫХ ИОН1ГЫХ
ПУЧКОВ.................................................................79
3.4. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.................................................87
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ СРЭП...........................89
4.1. НЕКОТОРЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СРЭП................................89
4.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ СРЭП..................................91
4.2.1. Общие положения...............................................92
4.2.2. Накопитель энергии............................................92
4.2.3. Устройство увеличения мощности СРЭП (коаксиальная водяная линия)... 94
4.2.4. Коммутатор энергии............................................97
4.2.5. Преобразователь энергии электрического поля (вакуумный диод) 99
4.2.6. Основные системы и блоки генератора СРЭП.....................102
4.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СРЭП..........................103
4.3.1. Вольт-амперная характеристика вакуумного диода СРЭП, работающего на
основе взрывной эмиссии........................................... 103
4.3.2. Получение вольт-амперной характеристики вакуумного диода.....104
4.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИНТЕНСИВНЫХ ПУЧКОВ
ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ.....................................................106
4.5. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4................................................113
ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПУЧКА С ВЕЩЕСТВОМ НА ВЫХОДЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ........................115
5.1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ С ВЕЩЕСТВОМ 115
5.1.1. Физические процессы при прохождении пучков ускоренных электронов
через материалы.....................................................115
5.1.2. Сечения основных процессов...................................116
5.1.3. Методы расчета характеристик ЭФ Л в материалах...............118
5.1.4. Выбор метода расчета на ЭВМ пространственного распределения
поглощенной дозы при облучении технолошческих объектов электронами с энергией до 10 МэВ..........................................................121
5.1.5. Банк данных по сечениям элементарных процессов взаимодействия
ускоренных электронов и у-квантов с органическими материалами.......122
5.1.6. Алгоритм статистического моделирования распределений поглощенной
дозы в технологических объектах.....................................122
5.1.7. Разработка методов математического моделирования технологических
процессов с использованием ускорителей электронов...................124
5.1.8. Разработка методов и программ моделирования радиационных процессов в
материалах и изделиях при электронном облучении.....................125
5.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ В
МАТЕРИАЛАХ МИШЕНИ.....................................................126
5.3. РАСЧЁТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПРИ ОБЛУЧЕНИИ МИШЕНИ
ЭЛЕКТРОНАМИ...........................................................130
3
5.4. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5......................................................132
ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСКОРИТЕЛЯХ ЭЛЕКТРОНОВ.............................134
6.1. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ЭЛЕМЕНТОВ СИЛЬНОТОЧНОГО
ЛУЭ ОТ ПОРАЖЕНИЯ ПУЧКОМ.....................................................134
6.2. МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ДВУМЕРНОЙ РАЗВЁРТКИ ПУЧКА НА ВЫХОДЕ ЛУЭ..................................................................139
6.3. МЕТОД ФОКУСИРОВКИ ВЫВЕДЕННОГО В АТМОСФЕРУ ПУЧКА ИЗ
СИЛЬНОТОЧНОГО ЛУЭ...........................................................142
6.4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИА1 ДЮННОЙ СТОЙКОСТИ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ НА ОСНОВЕ СПЛАВА МБеВ В УСЛОВИЯХ НЕПРЕРЫВНОГО у-ИЗЛУЧЕНИЯ...................................................................147
6.5. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕРМОКАТОДАХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПУШЕК ЛУЭ....................................152
6.5.1. Характеристики потока обратных электронов...............154
6.5.2. Расчет теплового режима катода.....................................157
6.6. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6.......................................................163
ГЛАВА 7. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПУЧКОВЫХ И РАДИАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГ ИЙ НА ВЫХОДЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ...........................165
7.1. ВЫБОР КОНСТРУК1 ГИИ МИШЕННОГО КОМПЛЕКСА НА ВЫХОДЕ
ТЕХНОЛОГ ИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ.....................................165
7.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАЗВЁРТКИ ПУЧКА.................................167
7.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЁННОЙ ДОЗЫ............................................................168
7.4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СТЕРИЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ МАССОПОТОКОВ МЕДИЦИНСКИХ ИЗДЕЛИЙ.........................................................170
7.4.1. Оптимизация радиационных полей в рабочих объемах; выбор геометрии
облучения, подбор отражателей, а также параметров пучков.......170
7.4.2. Сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования .. 173
7.4.3. Использование вторичных пучков в технологических ЛУЭ...............174
7.5. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ОБЛУЧЕГГИЯ ИЗДЕЛИЙ СКАНИРУЮЩИМ ПУЧКОМ ЭЛЕКТРОНОВ...............................................178
7.5.1. Распределение температуры в изделии.....................178
7.5.2. Термоупругне напряжения в кристалле.............................. 180
7.6. ВОЗБУЖДЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН В МАТЕРИАЛАХ, ОБЛУЧАЕМЫХ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ..........................................................181
7.6.1. Возбуждение звуковых волн плоско-параллельным пучком электронов.. I
7.6.2. Модель нагрева материала электронным пу чком.......................183
7.6.3. Возбуждение звуковых волн в расплавах..............................185
4
7.7. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 7............
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. К числу актуальных проблем современной физики относится задача взаимодействия потоков ускоренных заряженных частиц с нелинейной средой (газовой смесью, плазмой, твёрдым телом, магнитными и электрическими полями, электромагнитными волнами и т. п.), а также использование эффектов взаимодействия пучков частиц с указанными средами в радиационных и ядерных технологиях. Большой научный интерес к исследованиям подобного рода объясняется тем, что процессы, протекающие при взаимодействии потоков заряженных частиц в указанных активных средах определяют работу практически всех приборов и устройств электронной техники, начиная от вакуумных и твёрдотельных усилителей и генераторов широкого диапазона электромагнитного излучения до квантовых плазменных устройств и нелинейной оптики. Взаимодействие пучков заряженных частиц с указанными средами - одна из проблем, которая в течение многих лет привлекает внимание исследователей, работающих в области физики плазмы, ускорительной техники и трудоёмких радиационных технологий. Так, например, при инжекции пучка электронов в плазму, в результате коллективных эффектов, возбуждаются интенсивные электромагнитные колебания в широком диапазоне частот. Это позволяет использовать электронные пучки как для исследования динамических свойств плазмы, гак и для ряда прикладных задач (коллективное ускорение тяжёлых частиц с высоким темпом ускорения, усиление и генерирование колебаний в СВЧ диапазоне, создание новых типов лазеров и т.п.). В связи с разработкой и созданием ускорителей сильноточных релятивистских пучков электронов интерес к взаимодействию этих пучков с различными средами значительно повысился.
Линейные ускорители электронов (ЛУЭ) с энергией до 10 МэВ сейчас широко используется как в традиционных радиационных технологиях: стерилизация медицинских изделий, дефектоскопия, производство новых
6
материалов,- так и в новых: системы таможенного контроля, поверхностная закалка изделий. Сильноточные ускорители электронов с энергией 20-30 МэВ начинают использовать как для получения различных радионуклидов так и для ядерного легирования различных полупроводниковых материалов и «теплых» сверхпроводников. Оптимизация радиационных и ядерных технологий для ЛУЗ имеет первостепенное значение. При этом необходимо разрабатывать методы и устройства для формирования пучков электронов и у-квантов с нужным пространственным и временным распределением на мишенях или изделиях.
Рассматривая и обобщая задачи, связанные с разработкой, проектированием и созданием перспективных устройств, использующих взаимодействие пучков заряженных частиц в широком диапазоне интенсивностей и энергий, можно выделить ряд актуальных направлений исследований, которые кроме того, что отражают общую ситуацию в данной области науки, формулируют также и проблемы, которые ограничивают дальнейшее совершенствование устройств из-за ряда процессов, протекающих в них. Одной из таких проблем является проблема повышения эффективности преобразования кинетической энергии, запасённой в пучке заряженных частиц в полезную энергию взаимодействия.
При этом понятие "эффективность" следует понимать в широком смысле, охватывающем весь комплекс входных параметров устройств, а не только отдельно взятые характеристики (например, КПД, коэффициент усиления и т.п.). В связи с этим решение сформулированной проблемы можно разбить на ряд актуальных задач (или путей), связанных с:
- повышением КПД пучка заряженных частиц и увеличением эффективности его взаимодействия с нелинейными средами;
- созданием эмиттеров ионов и формированием многоамперных ионных потоков при сохранении квазинейтральности среды;
7
- разработкой быстрых кодов, описывающих взаимодействие потока электронов, фотонов и позитронов с веществом в широкой области энергий с учётом фотоядерных реакций;
- разработкой методов и устройств для формирования пучков на выходе сильноточных ЛУЭ и методов бесфоновой проводки пучка непосредственно в ЛУЭ;
- оптимизацией пучковых и радиационных технологий с применением ЛУЭ.
Таким образом, вышеизложенное позволяет сформулировать основные направления настоящих исследований применительно к практическим потребностям в тех областях науки, техники и технологии, где применение пучков заряженных частиц оказывается более предпочтительным по сравнению с другими источниками энергии.
Целью работы являлось создание и исследование ускорителей и устройств для формирования сильноточных релятивистских пучков заряженных частиц и у-квантов, исследование их взаимодействия с различными нелинейными средами для создания эффективных эмиттеров ионов, разработка методов математического моделирования взаимодействия частиц с веществом для метрологического обеспечения пучковых технологий, а также разработка систем формирования пучков в ЛУЭ и оптимизация пучковых технологий.
Научная новизна. В диссертационной работе решена крупная задача в области физики пучков, заключающаяся в исследовании устройств ускорительной техники, основанных на взаимодействии пучков заряженных частиц с нелинейными средами и разработке методов оптимизации пучковых технологий и устройств для формирования пучков на выходе ЛУЭ. В результате:
- разработан и исследован оригинальный метод преобразования кинетической энергии пучка в энергию орбитального движения с регулиро-
8
ванием шага спирали для увеличения пути движения частиц пучка и эффективности передачи (до 80%) энергии пучка среде;
- проведено детальное комплексное исследование механизма нелинейного взаимодействия между "спиральным" электронным пучком и плазмой в неоднородном аксиально-симметричном магнитном поле;
- предложены новые схемы использования электронно-горячей плазмы для формирования плазменного эмиттера ионов, ускорения многоамперного ионного потока и использования эффектов взаимодействия с металлическими средами для радиационных технологий;
- впервые предложено использовать взаимодействие ионного потока с перезарядной газовой мишенью для активного охлаждения плазмы и получения инверсной заселённости многозарядных ионов лазера коротковолнового излучения;
- разработан мощный ускоритель электронных пучков и исследовано их взаимодействие с газовой средой. Аналитически показано, что в результате взаимодействия группа образовавшихся ионов захватывается в потенциальную яму, созданную объёмным зарядом электронного пучка, которая ускоряет их до энергий, существенно превышающих энергию электронного пучка;
- разработаны математические модели для расчёта эффектов взаимодействия пучков электронов и фотонов с веществом (дозы, температуры, давления, дефектообразование) на выходе технологических ЛУЭ);
- разработаны и исследованы фильтры эмиттанса пучка применительно к двухсекционному сильноточному ЛУЭ для защиты его элементов от поражения пучком;
- разработаны и исследованы методы и устройства для формирования двумерных распределений плотности электронов на выходе ЛУЭ, а также методы фокусировки выведенного пучка из ЛУЭ;
9
- на основе разработанных программ проведена оптимизация нескольких технологий с использованием пучков ЛУЭ (стерилизация, наработка изотопов).
Практическая значимость,
1. Исследования по плазменным эмиттерам и сильноточным электронным релятивистским пучкам были использованы при разработке двух базовых установок с импульсными пучками электронов (до 30 кА) и двухзарядных ионов (до 1кА) в ХТУРЭ (г.Харьков) для нужд технологий электронной и биомедицинской техники.
2. Разработаны математические модели и созданы программы для исследований взаимодействия электронного пучка с материалами в широкой области энергий и трехмерной геометрии. Эти модели широко используются в ХФТИ при разработке различных технологических процессов.
3. На основе разработанных методов проведена оптимизация технологических процессов стерилизации одноразового медицинского инструмента для двух предприятий Украины (завод «Полимед», г. Белгород-Днестровский и завод в г. Славянске) и для ускорительного комплекса ЛУ-10 в ХФТИ
4. Методы и устройства по формированию пучков с заданными двумерными распределениями , фокусировкой выведенного пучка и фильтры эмиттансов пучка внедрены на ускорителях ЭПОС, КУТ и ЛУ-10 в ХФТИ.
5. Результаты дефектообразования, температурных полей и давлений использовались для разработки технологических процессов радиационной обработки алюмосиликатных кристаллов по контракту № 276/93-35 и 276/97-35 с германской компанией “ACS”, разработанные методы формирования пучков используются сейчас при выполнении контрактов № в/98-35 с Университетским госпиталем г.Женева (Швейцария) и NC 1117 с Университетом в Гронингене (Голландия).
10
6. Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс и использованы в курсах "Вакуумно-плазменная электроника", "Высокоэнергетическая электроника", "Моделирование в электронике" и "Общая физика", читаемых автором в ХТУРЭ, а также нашли применение при выполнении НИР с предприятиями Украины.
Структура и_о.бмм дщ&сртацин> Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, содержащего 158 литературных источников. Работа выполнена на 208 страницах, включая 63 иллюстраций.
Во введении обосновывается необходимость и актуальность исследований по выбранному' направлению. Приводятся факты, характеризующие современное состояние теории, эксперимента и практического применения взаимодействия высокоэнергетических интенсивных электронных потоков с веществом в наукоёмких радиационных технологиях, в науке и технике. Формулируются цели и задачи данной работы, указываются основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.
Первая глава диссертации посвящена исследованию плазменного эмиттера ионов. Для получения плазмы с горячими электронами (одно из условий генерации сильноточных пучков ионов) необходимо иметь в первую очередь, большие мощности электронного пучка. Поэтому задача об исследовании более эффективных методов ввода мощности пучка в область взаимодействия становится актуальной.
Рассмотрен вариант, когда электронный пучок, прежде чем попасть в область взаимодействия, проходил через систему магнитных полей остроугольной формы. Эта система преобразовывав направленную вдоль оси скорость электронов в скорость орбитального движения вокруг силовых линий поля. Исследование метода показало, что инжектируемые заряженные частицы параллельно оси системы проходят гиперболическую маг-
п
нитную ловушку при условии, что г0 будет меньше ларморовского радиуса /?£, и они выходят из ловушки, вращаясь вокруг силовых линий магнитного поля с относительно малым шагом спирали. Подбором параметров пучка магнитной системы и радиуса инжекции можно регулировать шаг спирали [1].
Приведенная теоретическая картина движения электронов в магнитной ловушке с гиперболической конфигурацией реализована в экспериментальной установке. Электронный пучок, пройдя гиперболическую конфигурацию с малым шагом спирали, попадал в магнитное поле пробочной конфигурации, где происходит процесс возбуждения пучковоплазменного разряда, сопровождающийся бесстолкновительным обменом энергией между пучком и плазмой. На основании проведенных исследований были выбраны диапазоны значений тока пучка , напряжения, давление рабочего газа, напряжённости и конфигурации магнитного поля , геометрических размеров, необходимых для получения оптимальных условий набора энергии электронов в плазменном эмиттере ионов. Исследованы основные характеристики плазменного эмиттера ионов, которые позволили выяснить его основные закономерности, зависящие от ионизации и процессов накопления плотности заряженных частиц при п » , где по-
начальная плотность нейтрального газа. Эти эффекты часто определяют макроскопическое поведение ионного эмиттера в целом и важны при выяснении механизма набора энергии группой электронов.
Во второй главе проведено исследование магнитоактивного плазменного эмиттера ионов.
Накопление зарядов в активной фазе описывается системой уравнений баланса электронов и ионов в плазменном эмиттере ионов. Наибольшие теоретические затруднения, связанные с решением уравнений, состоят в определении времени жизни электронов в системе с неоднородным магнитным полем, которое можно выразить в виде:
12
г; = г”1 + г;1 + г”1 + г;1, зависящем от времени излучения т„ , константы рекомбинации электронов и ионов в объёме тг, времени ухода электронов в конус потерь тс, времени ухода электронов в радиальном направлении под воздействием ту рбулентной диффузии Т</ [2, 3].
В результате измерения скорости расширения внешней границы ускоренных электронов плазменного эмиттера, выполненного с помощью зондов, а также путём фотографирования заданного объёма в рентгеновских лучах камерой обскура, было показано, что плазменный объём существенно меньше объёма вакуумной камеры, и сохраняет резко очерченную в пространстве геометрическую фигуру, расположенную симметрично относительно оси системы. Радиальный размер эмиттера зависел от соотношения тс и т* а время расширения подчинялось соотношению:
Т = т(,тс(тс+х<,)'1.
Результаты исследований показали, что время жизни заряженной частицы существенно больше времени пролёта нейтральной частицы через объём эмиттера, поэтому концентрация заряженных частиц увеличивалась, и существенно превосходила начальную концентрацию нейтральных атомов.
Таким образом, было установлено, что группа «горячих электронов» обладает большей частью тепловой энергии эмиттера и обеспечивала его стабильность, а предохранение глубинных слоёв эмиттера от потока нейтральных частиц и их ионизация осуществлялась медленными электронами, имеющими большое сечение ионизации.
В третей главе исследован процесс ускорения многоамперных ионных потоков в магнитоактивном плазменном эмиттере. Ускорение ионного потока осуществлялось с помощью кольцевого электрода, установленного в центральной части магнитной системы, симметрично относительно её оси. На электрод подавался импульс напряжения отрицательной полярно-
13
сти, форма, величина и мощность которого были идентичны параметрам импульса, подаваемого на электронный инжектор. Известно, что электрическое поле в плазме в основном выполняет работу над электронной компонентой, вследствие её большей подвижности по сравнению с ионной компонентой. В работе исследован метод уменьшения подвижности электронов по сравнению с ионами для того, чтобы электрическое поле ускоряло ионные потоки. Снижение подвижности ионов вызывалось тем, что процесс ускорения ионов происходил в направлении, перпендикулярном к силовым линиям магнитного поля. Замагниченные электроны совершали замкнутый дрейф по азимуту со скоростью V = Ег / Вг; из-за их столкновений с ионами дрейф сопровождался диффузией в направлении противоположном направлению электрического поля.
Условия свободного ускорения ионов при сохранении замагничен-
ту. ту, „ п
ности электронов можно записать в виде: —— = Л;—— « Я, где К - гео-
Я,Вг еВ;
метрический размер ловушки[ 1,4].
Убыль ионов на эмиттере вследствие их приёма коллектором вызываю появление электрического поля поляризации, которое уменьшаюсь с помощью коллектора компенсатора, поставлявшего в объём поток электронов. Кроме того, электрическое поле поляризации выталкивало вдоль оси системы избыточное количество электронов на заземлённый коллектор и тем самым обеспечивало устойчивый режим ускорения ионов. Таким образом, наблюдалось ускорение всей массы ионов эмиттера при сохранении его квазинейтрачьности.
Исследование распределения потенциала по радиусу в эмиттере ионов, выполненные с помощью плавающего электростатического зонда показали, что это распределение можно аппроксимировать линейной зависимостью. Следовательно, напряженность электрического поля является величиной постоянной и время ускорения ионов г = у2ЕеЕгтг глубинных и
14
поверхностных слоев будет слабо зависеть от их положения. Этот эффект приводит к некоторой "банчировке" ускоренного ионного потока так как ионы более глубинных слоев набирают большую скорость в процессе ускорения. Максимальное экспериментальное значение ионного тока достигало 700 А.
В четвертой главе рассмотрены физические основы получения и использования сильноточных релятивистских электрических пучков (СРЭП) наносекундного диапазона. Интерес х получению указанных пучков вызван многими причинами. Электронные пучки при взаимодействии с плазмой генерируют широкий спектр высокочастотных колебаний, необходимый для ее нагрева. Энергия пучка может быть использована: для создания инверсной заселённости лазера коротковолнового диапазона, для осуществления инерциального нагрева дейтерий-тритиевон мишени до термоядерных температур, для ускорения ионов до энергий в сотни раз превышающей энергию электронного пучка в различных схемах коллектв-ного ускорения, для прикладных технологий в сильноточной электронике.
Исследован СРЭП, который предназначен для формирования, ускорения и транспортировки электронных пучков с энергией электронов до 1 МэВ при токе до 30 кА с длительностью импульса до 80 не.
Ускоритель импульсных СРЭП представляет собой коаксиальную водяную линию, заряжаемую от генератора импульсных напряжений (ГИН). Нагрузкой линии является электронная пушка с холодным катодом, подключаемая к линии с помощью водяного разрядника Основными функциональными узлами и системами ускорителя являются: высоковольтный выпрямитель, зарядное устройство формирующей линии, формирующая линия, система вакуумирования, высоковольтные и рентгеновские системы защиты, пульт управления ускорителем, система очистки воды.
15
Импульс ускоряющего напряжения, полученный от формирующей линии, подаётся на электронную пушку ускорителя. Созданная электронная пушка содержит два основных узла - высоковольтный изолятор и вакуумный диод, предназначенный для преобразования мощных коротких импульсов напряжения, создаваемых на выходе формирующей линии, в мощные пучки частии. Экспериментальные исследования показывают, что в автоэлектрон ном эмиттере диода при предельной плотности тока происходит взрывное разрушение острия собственными токами автоэлектронной эмиссии, которое сопровождается возрастанием тока на два порядка. При этом происходит разлёт образованной при взрыве плазмы и усиление эмиссии электронов с фронта плазмы. Выражение для плотности тока в присутствии объёмного заряда в плоском диоде соответствует закону Чайлда-Ленгмюра. Применение многоострийных катодов обеспечивает возможность согласования импедансов электронной пушки и формирующей линии, что важно для максимальной передачи энергии формирующей линии в энергию электронного пучка. Напряжение на электронной пушке измеряется двухступенчатым резистивно-ёмкостным делителем напряжения, подключённым непосредственно к катодному электроду, а ток пучка измерялся с помощью цилиндра Фарадея, установленного в анодном блоке, а также с помощью низкоиндуктивного шунта.
Автором проведено аналитическое и экспериментальное исследование взаимодействия РЭП с газом с целью определения условий, при которых возможен захват ионов и их коллективное ускорение до энергии, существенно превосходящей энергию электронного пучка. Установлен процесс генерации ускоренных ионов в результате развития электронноионной волны плотности объёмного заряда. Данная волна образуется на нелинейной стадии двухпотоковой неустойчивости, а затем происходит ускорение захваченных ионов при увеличении фазовой скорости волны и росте дрейфовой скорости электронного пучка. Захват ионов может быть
16
представлен одномерной моделью и возможен только в случае использования частично скомпенсированного электронного пучка. В этом случае электронный пучок описывается линеаризованными гидродинамическими уравнениями, уравнением непрерывности, уравнением движения и уравнением Пуассона; ионы описываются уравнением движения, электрическое поле волны определяется уравнением Пуассона.
Предложенная система уравнений представляет одномерную модель, описывающую захват ионов, при этом предполагается, что постоянное электрическое поле скомпенсировано неподвижными ионами. Система уравнений решалась методом крупных частиц с использованием метода Эйлера [5]. При возникновении малого возмущения поле будет взаимодействовать с ионами, приводя их в движение. Координаты ионов изменяются, что вызывает изменение плотности пространственного заряда, а, следовательно, система станет неустойчивой и возмущение электрического поля будет нарастать. Нелинейное ограничение амплитуды поля, связанное с захватом ионов в потенциальные ямы, образующиеся в результате нарастания неустойчивостей, приведёт к процессам нелинейного насыщения амплитуды. Таким образом модель описывает захват ионов в условиях двухпучковой неустойчивости частично скомпенсированного электронною пучка.
В результате проведённого траекторного анализа 40 частиц был зафиксирован захват волной большой амплитуды около 80% ионов. Скорость захваченных ионов примерно равнялась фазовой скорости волны, а их энергия была меньше энергии электронного пучка.
Были выполнены экспериментальные исследования процессов взаимодействия РЭП с газом направленных на обнаружение эффектов ускорения ионов. Пучок электронов выходил в область заполненную газом через анод, который представлял собой прозрачное для электронов выпускное окно. Для улучшения взаимодействия между пучком и средой система по-
мещалась в квазистационарное неоднородное магнитное поле. Измерения параметров ионной компоненты плазмы с помощью многоканального анализатора типа "бикантрон" показали присутствие в активной области ускоренных ионов, энергия которых сравнима с энергией электронного пучка.
Таким образом, рассмотренный механизм коллективного ускорения ионов позволяет объяснить некоторые эффекты, наблюдающиеся при ин-жекции РЭП в нейтральный газ.
л
В частности, энергия ионов , где Уф - фазовая скорость волны
и должна быть пропорциональна
V. Су
пе , что согласуется с результа-
тами эксперимента.
В пятой главе развиты методы моделирования процессов взаимодействия пучка с веществом мишенного комплекса на выходе технологического ускорителя электронов. Развитие современных радиационных технологий связано с необходимостью проведения исследований взаимодействия частиц и излучений с материалами с учетом заданной геометрии облучаемого объекта, технологического режима облучения и требований радиационной безопасности производства для персонала и окружающей среды.
С целью научного сопровождения технологических работ был создан комплекс программ для компьютерного моделирования процессов взаимодействия пучка электронов с многослойными и многокомпонентными материалами в виде изделий конкретной формы. Комплекс программ включает блоки расчета пространственных распределений энерговыделения и дефектообразования в мишенях, температурных и термоупругих полей, моделирования процессов нагрева и охлаждения мишени при импульсном электронном облучении с учетом размеров и формы пучка, а также геометрии облучаемых объектов. Движение электронов в мишени моделировалось методом Монте-Карло, который позволяет довольно про-
18