Международная телекоммуникатсионная конферентсия Молодеж и наука Ч.1 2015

Мощная импульсная электрофизика

В результате проведенных исследований [1]-[4] показано, что возможно создание мощных и сверхмощных клистронов с КПД до 90 %.

Это оказалось возможным благодаря исследованному и защищенному в 2013г. в диссертационной работе методу волнообразного группирования, позволяющему достигнуть предельных значений КПД в клистронах, а также в результате использования авторских компьютерных программ, основанных на оригинальных методах моделирования процессов взаимодействия электронных пучков с электромагнитными полями, включая дискретно-аналитическую модель группирования электронного пучка. Использование этих программ позволяет проводить исчерпывающую оптимизацию в широкой области полного пространства параметров (15-20 параметров), что недоступно никаким из известных в мире программ. Далее предполагается применить этот метод для проектирования функциональной части (области группирования и отбора энергии) конкретного сверхмощного клистрона непрерывного режима на частоту 800 МГц с выходной мощностью 1 МВт, который может быть использован как преобразователь электроэнергии в СВЧ-энергию в широкой области применений, включая питание мощных коллайдеров, промышленные СВЧтехнологии и СВЧ-энергетику.

Предполагается провести выбор базовых параметров, поэтапную оптимизацию в широкой области пространства параметров, 2D и 3D моделирование оптимального варианта и эскизное проектирование прибора. Полученный в результате эскизный проект должен стать ядром для разработки такого прибора (полная стоимость разработки по существующим ценам мировых фирм-производителей составляет от 1.5 до 5 миллионов долларов).

Список литературы

1.Байков А.Ю., Грушина О.А., Стриханов М.Н., Тищенко А.А. Математическая модель трансформации электронного пучка в узкой трубе. ЖТФ, 2012, том 82, вып. 6,. С. 90 –

100.

2.Байков А.Ю., Грушина О.А., Стриханов М.Н. Исследование зависимости максимального КПД от коэффициента усиления в двухрезонаторных клистронах. ЖТФ, 2013, Т. 83, вып.4, с.127-133.

3.Байков А.Ю., Грушина О.А., Стриханов М.Н. Моделирование условий достижения максимального КПД в клистронах дециметрового диапазона. ЖТФ, 2014, том 84, вып.3.

4.Байков А.Ю., Грушина О.А. Модель трансформации электронного пучка в узкой трубе и ее применение для проектирования мощных клистронов. - М.:МФЮА, 2013. - 101с.

_______________________________________________________________________

Мощная импульсная электрофизика

С.Г. КЛАДКО Научный руководитель – Э.Я. ШКОЛЬНИКОВ, д.ф.-м.н., профессор

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ИОННОГО ИСТОЧНИКА ГАЗОВОЙ НЕЙТРОННОЙ ТРУБКИ

На примере ионного источника (ИИ) газовой нейтронной трубке (ГНТ), разработанной в ВНИИА им. Н.Л. Духова, рассмотрена оптимизация её рабочих параметров с целью уменьшения фронта импульса ионного тока и, как следствие, снижение стоимости каротажных работ, за счёт снижения ошибки диагностики в несколько раз.

ВНИЯУ МИФИ на кафедре «Электротехника» при совместном сотрудничестве с ВНИИА им. Н.Л. Духова в рамках работы, поддержанной Министерством науки и образования РФ, были оптимизированы рабочие параметры ИИ ГНТ, которые позволили сократить время фронта импульса ионного тока. Оптимизация рабочих параметров проводилось с помощью кода КАРАТ [1].

Опыт работы показал, что разработчикам Нейтронных Генераторов (НГ) на основе газонаполненных трубок (ГНТ) приходится решать крайне сложные задачи для удовлетворения жестких требований к выходу нейтронов, повышения ресурса и т.д. При этом решение данных задач главным образом связано с экспериментами и/или технологическими подходами.

Вэтой связи для решения существующих проблем с традиционными методами целесообразно использовать возможности физического исследования работы ГНТ. При сохранении адекватности модели это подхода резко поднять качество оптимизации конструкции ГНТ.

По принципу работы данные устройства представляют собой линей-

ный ускоритель ионов, на выходе которого расположена мишень. Генерация нейтронов происходит в результате реакции D(d,n)He3, T(d,n)He4 на мишени. Ключевым элементом ГНТ является источник ионов.

Основной задачей исследования работы ИИ ГНТ, является уменьшения времени фронта импульса ионного тока.

Ионы в ИИ образуется в результате процесса ионизации электронами

нейтрального газа в скрещенных электрическом и магнитном полях. ИИ работает при низком давление 10-3 (мм.рт.ст), что влияет на процессы формирования области разряда.

_______________________________________________________________________

192 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»

Мощная импульсная электрофизика

Пути решения задачи основывались на аналитическом представление процесса ионизации. Для простоты рассматривались соотношения между 2 величинами: частота рождения и частота ухода частиц. В качестве частоты рождения частиц принята частота ионизации газа

В качестве частоты ухода частиц примем частоту ухода на анод электронов в следствии их дрейфа.

Выход на стационар определяется равенством частот рождения и ухода и свидетельствует о завершение переходного процесса.

При этом полагаем, что механизм ускорения электронов по всему объёму идентичен

Из данного равенства следует утверждение, что существуют рабочие параметры, при которых система сразу выходит на стационар. Данное предположение подтверждено неоднократным моделированием.

Полученное равенство частот представляет собой в явном виде уравнение в частных производных, которое зависит от трёх переменных: электрического поля, магнитного поля, начальной концентрации рабочего газа. Следует отметить, что данное равенство не зависит от начальной концентрации свободных носителей (электронов).

Рассмотрим основные зависимости при изменении только одного из трёх параметров.

1.Изменение p: происходит линейный рост частоты ионизации, отметим, что процесс происходит на одной ветви Пашена. На частоту ухода частиц ничего не влияет и она остается постоянной. Так, если отношение

Ек В будет достаточно большим, то для достижения стационара необходимо вкачивать большую концентрацию газа, что приведёт к лавинному образованию разряда и как следствие большим токам источника

2.Изменение B: обратно пропорциональная зависимость в частоте ухода частиц. Следовательно, при получение достаточного количества частиц в системе можно обойтись ограничением по величине магнитным полем.

3.Изменение U: изменение электрического поля является довольно сложной зависимостью, во-первых из-за нелинейных зависимостей частоты рождения частиц, во-вторых, в формуле (1) U рассматривается U как разность потенциалов, а это сильно влияет от геометрического положения частицы.

Моделирование показало, что при изменении только одного параметра возможно найти условие стационара. Однако моделирование показало области в которых возможно изменять параметры. Напряжение необхо-

_______________________________________________________________________

Мощная импульсная электрофизика

димо изменять от 1000 о 3000В, магнитное поле от 700 до 1200 Гс, давление рабочего газа от 10-3 до 10-2 мм.рт.ст

Отметим также, что образование стационара в зависимость ионного тока от времени условие равенства частот рождения и ухода электронов является необходимым, но недостаточным условием. Необходимо получить и само заданное значение тока, обусловленное нейтронным выходом (что составляет 200-300 мкА).

Процесс создания плазмы занимает относительно длительное время и сравнимо с длительностью импульса порядка нескольких микросекунд. Это связано с низким давлением рабочего газа и с относительно большим периодом ионизации.

Для уменьшения времени наработки заряда рассматривались 2 пути решения. Первый путь, т.н. «быстрый старт», который заключается в моментальной генерации больших концентраций свободных носителей (электронов). Данный путь возможно реализовать технически, с помощью искрового разряда, либо использование термоили автокатода. Выбор технической реализации зависит от стоимости и необходимого ресурса работы ИИ ГНТ.

Моделирование показало, что при начальной концентрации электронов равной 109 см-3 и начальных рабочих параметров, рассчитанных на стационарный процесс, получаем стабильный импульс ионного тока, значение которого соответствует 200 мкА.

В результате данной работы определены диапазоны рабочих параметров ИИ ГНТ. Показано аналитическое рассмотрение нахождения условий стационарного разряда. Отмечено, что стационарный процесс не зависит от начальной концентрации свободных носителей, следовательно время фронта напрямую связано с временем наработки необходимой концентрации электронов.

Дальнейшее развитие связано с развитием методик т.н. «быстрого старта» – позволяющих получать необходимую концентрацию электронов практически сразу.

Список литературы

1.Tarakanov V.P. User's Manual for Code KARAT. Springfield, VA, Berkeley Research Associates, Inc. 1992.

2.Бессарабский Ю.Г., Битулев А.А., Бобылев В.Т. и др. // Сборник материалов Международной научнотехнической конференции “Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе”, Москва, 2004. C. 72.

3.Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М.: Атомиздат,

1972.

_______________________________________________________________________

194 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

М.А. АЛХИМОВА

Научные руководители – С.А. САВЁЛОВ1, д.ф.-м.н., профессор С.А. ПИКУЗ1,2, к.ф.-м.н., научный сотрудник

1Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

2Объединённый институт высоких температур РАН, Москва

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВЕРХЪЯРКОГО ИСТОЧНИКА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ФОРМИРУЮЩЕГОСЯ В ПЛОТНОЙ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЕ

Представлен анализ спектров сверхъяркого источника рентгеновского излучения (Ix-ray ~ 1019 Вт/см-2) генерируемого в плотной релятивистской плазме в режиме доминирования радиационных процессов, формируемой при облучении тонких Al фольг лазерным импульсом петаваттной мощности.

Плазма, генерируемая при взаимодействии лазерного излучения пета-

ваттной мощности и интенсивности Ilaser ~ 3·1021 Вт/см-2, является ярким полихроматическим источником рентгеновского излучения (далее РИ), с

интенсивностью, достигающей Ix - ray ~ 1019 Вт/см-2. Такие источники РИ находят широкое применение в медицине и онкологии, визуализации биологических процессов, материаловедении и фундаментных вопросах лабораторной астрофизики, и исследованиях экстремальных состояний вещества. Отметим что, стоимость таких источников на порядок дешевле, чем источников синхротронного излучения и лазеров на свободных электронах, а достижимая плотность РИ на порядок выше, чем достигнутая для лазера на свободных электронах.

Было показано [1], что сверхяркий источник РИ первоначально формируется в плотной горячей бесстолкновительной плазме, создаваемой в фокальном пятне лазерного пучка и затем, в результате переноса энергии быстрыми электронами (с энергиями ~ 4 МэВ), генерируемыми в горячей области плазмы, и теплового транспорта в твердотельной мишени - в периферийной плазменной зоне происходит генерация вторичного мягкого РИ, с энергиями ~ 10 кэВ, в результате которого идет образование KK и KL - полых ионов, т.е. атомов с двумя вакансиями на K и L оболочках [2-

_______________________________________________________________________

Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез

4]. В периферийной плазме наблюдается нелинейный рост мощности РИ и показано, что предел конвертации энергии лазерного излучения в энергию рентгеновского излучения пока не достигнут [5].

В данной работе представлены недавние результаты спектральной диагностики рентгеновского излучения, полученные при проведении экспериментальных исследований на лазерном комплексе петаватт класса - Vulcan PW (Лаборатория Резерфорда, Великобритания). Лазерный луч c

интенсивностью Ilaser ~ 3·1021 Вт/см-2 и длительностью = 0.7 пс фокусировался на поверхности мишени под углом 40 в фокальное пятно d = 5 мкм,

в котором было сосредоточено около 35% всей энергии. В качестве мишеней использовали алюминиевые и кремниевые фольги, толщиной h = 1 ÷ 2 мкм. Для диагностики спектрального состава РИ применялась система из пяти спектрографов с диспергирующим элементом на основе кристалла (слюда и альфа-кварц) с высоким пространственным разрешением, расположенных попарно симметрично, для наблюдения спектров с фронтальной и тыльной поверхностей мишени на разном расстоянии от источника РИ. В качестве детектирующих элементов применялись IPпластины и Andor CCD камера.

Показано, что эффективная схема регистрации РИ позволяет получить полные спектры излучения плазмы с передней и задней поверхностей мишени в широком спектральном диапазоне длин волн: от 4 до 9 Å, содержащем резонансные и рекомбинационные линии Н и He-подобных ионов и нейтральную K .

Список литературы

1.M. Nishiuch et al.: 22, 033107 (2015).

2.J. Colgan et al., PRL 110, 125001 (2013).

3.S.A. Pikuz et al., HEDP 9, 560 (2013).

4.S.B. Hansen et al., Phys. Plasma 21, 031213(2014).

5.A. Ya. Faenov et al., Scientific reports, Nature, i: 10.1038/srep13436 (2015).

_______________________________________________________________________

196 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»

Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез

В.С. ЕФИМОВ, А.Г. ПОСКАКАЛОВ Научный руководитель – А.А. ПИСАРЕВ, д.ф.-м.н., профессор

Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ГЕЛИЯ В ВОЛЬФРАМОВОМ «ПУХЕ» МЕТОДОМ

ТЕРМОДЕСОРБЦИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Была измерена концентрация гелия в наноструктуре типа «вольфрамовый пух» с помощью термодесорбционной спектроскопии (ТДС). Сильно развитая наноструктура была сформирована на поверхности вольфрама под действием интенсивного плазменного облучения при температуре 1473 K. Концентрация гелия была получена исходя из уменьшения накопления гелия после удаления слоя «пуха». Удаленный слой содержал около 60 % общего количества захваченного гелия,

аконцентрация гелия была оценена на уровне 13 ат. %.

Вряде экспериментов на линейных плазменных симуляторах [1,2] было показано, что при облучении большими потоками гелиевой плазмы поверхности вольфрама при температуре 1000–1200 °C наблюдается рост специфического наноструктурированного слоя, состоящего из тонких переплетенных вольфрамовых нитей толщиной несколько десятков нанометров и длиной до нескольких микрометров. Внутри нитей наблюдается множество гелиевых пузырей. В литературе эта структура называется вольфрамовым «пухом» (fuzz). Аналогичные структуры были получены и на других материалах. При сформированном вольфрамовом пухе, для поверхности существенно меняются важные свойства материала, такие как излучательная способность, коэффициент распыления, теплопроводность и др. С одной стороны, подобные наноструктуры могут с огромной пользой применяться в электронике. С другой стороны, применительно к управляемому термоядерному синтезу, что для нас имеет приоритетное направление, данная структура может оказать негативное воздействие, существенно увеличивая эрозию обращенного к плазме материала. Поэтому изучение механизмов роста этой наноструктуры является очень перспективным.

Существует несколько моделей, описывающих рост этой структуры [3- 6]. Различные процессы играют огромную роль при формировании «пуха». Одним из критических параметров в этих моделях является высокая концентрация гелия в поверхностном слое, при которой начинается рост

_______________________________________________________________________

Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез

пуха. Согласно вычислениям, полученным с помощью молекулярной динамики [6], эта концентрация должна превышать 10 ат.%.

Несмотря на интенсивное изучение этого явления, на данный момент существует только одна работа, в которой приводятся данные о концентрации гелия в этих структурах. Согласно оценкам [7], концентрация гелия в вольфрамовом пухе на уровне нескольких атомных процентов. Эти данные не очень хорошо согласуются с рядом теоретических моделей.

В данной работе концентрация гелия в вольфрамовом пухе определялась методом термодесорбционной спектроскопии. Образец вольфрама толщиной 25 мкм, на котором был сформирован слой вольфрамового пуха при облучении гелиевой плазмой дозой 1x1027 Не/м2 при температуре 1200 °С, был разломан на несколько частей. Содержание гелия в одном из них было определено без предварительной подготовки. На втором образце слой вольфрамового пуха был удален механически. Из сравнения содержания гелия в образцах было определено интегральное содержание гелия в удаленном слое. Из массы удаленного слоя, полученной взвешиванием, было определено количество вольфрама. Согласно полученным данным, содержание гелия в вольфрамовом пухе было оценено на уровне 13 ат.%, что существенно больше чем в [7].

Рис. 1. SEM фотографии наноструктуры типа «вольфрамовый пух» с разным увеличением после выдержки в гелиевой плазме при температуре 1473K

Список литературы

1.M.J. Baldwin and R.P. Doerner, Nucl. Fusion 48 (2008) 035001.

2.S.Kajita et al., Nucl. Fusion 49 (2009) 095005

3.S. Kajita, N. Yoshida, R. Yoshihara et al., J.Nucl.Mater, 418 (2011) 152-158.

4.S. Krasheninnikov, Phys. Scr. T145 (2011) 014040.

5.Yu.V. Martynenko and M.Yu. Nagel’. Plasma Physics Reports, 2012, Vol. 38, No. 12,

6.R.D. Smirnov and S.I. Krasheninnikov, Nucl. Fusion 53 (2013) 082002.

7.K.B. Woller, D.G. Whyte, G.M. Wright. Journal of Nuclear Materials, 463 (2015) 289–

293.

_______________________________________________________________________

198 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»

Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез

Е.Д. ФИЛИППОВ Научный руководитель – А.С. САВЁЛОВ, д.ф.-м.н., профессор

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

СОЗДАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА МАХА – ЦЕНДЕРА ДЛЯ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА МИШЕНИ И ИССЛЕДОВАНИЯ МОДИЦИФИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Создана установка для исследования модифицированных поверхностей различных материалов на основе интерферометра Маха – Цендера и маломощного азотного лазера. Отработана методика исследования на различных материалах: алюминий, медь, железо. Выполнено исследование и оценка использования медной мишени с модифицированной поверхностью. Показано значительное увеличение плотности плазмы.

Абляции вещества под воздействием мощного импульсного лазерного излучения широко используется в научных и технологических целях: обработка поверхности материалов; создание неравновесной плазмы; осаждение пленок; создание высокого разряда ионов; создание электрического поля высокой интенсивности; исследования лазерного термоядерного синтеза и других [1-5]. Так, один из основных методов выравнивания неоднородностей интенсивности лазерного излучения основан на использовании динамической плазменной фазовой пластины (ДПФП), представлявшей собой облако нестационарной лазерной плазмы, через которое пропускался лазерный пучок с целью его пространственно-временного сглаживания. Цель данной работы заключается в исследовании такой лазерной плазмы от различных мишеней. Кроме того, исследование профиля плотности плазмы является основополагающим для понимания физических процессов в лазерной плазме.

Мощный Nd-лазер (длина волны 1.054 мкм, энергия в импульсе порядка 20 Дж, длительность импульса ≈ 15 нс) использовался для создания лазерной плазмы. Импульс зондирующего лазера проходил через лазериндуцированной плазмы с задержкой td ≈5÷50 нс. Плотность лазерной мощности на мишени q ≈ 1012 Вт/см2. Лазерный луч был сфокусирован на мишень, которая была помещена в вакуумную камеру с остаточным давлением ≈10-3Па. Для анализа лазерной плазмы в данной работе применена схема с интерферометром Маха – Цендера, конструкция которого позволяет гибко изменять размеры и геометрию оптической схемы измерений. В

_______________________________________________________________________

Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез

качестве осветителя (зондирующего пучка) выбрана коммерческая модель ультрафиолетового азотного лазера (длина волны 337 нм, энергия ~ 150 мкДж, длительность ~ 5 нс). Система регистрации построена на основе цифровой фотокамеры, для которой была успешно опробована технология удаления всех защитных фильтров перед ПЗС матрицей. Перед ПЗС матрицей устанавливался интерференционный фильтр (λ ~ 337 нм, FWHM Δλ = 6 нм, Т = 40%) и оптическая линза с f=50 mm.

Получена достаточно равномерная пространственная структура поля излучения азотного лазера в распределении интенсивности с преобладанием наиболее интенсивного излучения в центральной области и монотонным спадом в периферийных областях изображения. Получены теневые и интерферометрические изображения начальной стадии лазерной плазмы в режиме слабого поглощения материала мишени.

Исследована лазерная плазма при взаимодействии лазерного излучения с мишенью из поликарбоната при различных задержках азотного лазера. Хорошо наблюдаются малые возмущения с линейной плотностью плазмы порядка Nе∙l ≈ (1-2)∙10-17 см-2. Небольшие плотности свидетельствуют о слабом поглощении мишенью «греющего» лазерного импульса и формировании достаточно разреженной плазмы, соответствующей концепции модели динамической плазменной фазовой пластины. Исследована лазерная плазма при взаимодействии лазерного излучения с мишенью из железа. При использовании железной мишени видно гораздо более выраженную (порядка четырех) искривленность интерференционных полос с линейной плотностью плазмы порядка Nе∙l ≈ (4-5)∙10-17 см-2.

Представлены результаты интерферометрических измерений плотности электронов в лазерно-индуцированной плазмы из медной мишени и медной мишени с модифицированной поверхностью, на которой были выращены конусы. Показано повышение температурных и плотностных характеристик плазмы в зависимости от эмиссионных параметров материала.

Список литературы

1.V.I. Mazhukin, V.V. Nossov, I. Smurov, Applied Surface Science. 253 (2007) p.7686

2.N.M. Bulgakova, A.B. Evtushenkoa, Yu.G. Shukhova et al, Applied Surface Science, 257 (2011) 10876– 10882.

3.N. Gambino, P. Hayden, D. Mascali et al, Applied Surface Science, 272 (2013) 69– 75.

4.N.G. Borisenko, A.E. Bugrov, I.N. Burdonskiy et al, Laser and Particle Beams 26, № 4 (2008) 537‒543.

5.S.G. Garanin, Phys. Usp., 54 (2011) 415–421.

_______________________________________________________________________

200 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»