CC BY
17
УДК 533.932
УСТРАНЕНИЕ СРЫВА ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЕННОГО РЕЛЯТИВИСТСКОГО СВЧ-ГЕНЕРАТОРА
С. Е. Ернылсва, О. Т. Лоза
С помощью колтьютерного моделирования определен механизм развития, эффекта укорочения, СВЧ-импульса в плазменном релятивистском С В Ч-генераторе с мощностью 108 Вт. Предложены методы устранения причин срыва СВЧ-генерации, показана возможность значительного увеличения, длительности процесса, излучения.
Ключевые слова: СВЧ-генератор. плазма, релятивистский сильноточный электронный пучок, укорочение СВЧ-импульса.
Настоящая работа продолжает цикл исследований эффекта укорочения импульса излучения в плазменном релятивистском генераторе СВЧ-импуттьсов. которые проводились путем численного моделирования с помощью полностью электромагнитного кода КАРАТ [1]. Схема расчетной модели плазменного релятивистского СВЧ-генератора показана на рис. 1.
Результаты исследований [2 4] и последующие расчеты показали сценарий срыва процесса СВЧ-генерации.
Фронт тока релятивистского электронного пучка (РЭП) индуцирует обратный ток электронов плазмы, который обеспечивается эмиссией электронов с коллектора. При концентрации плазмы ~1013 см_3 и начальной температуре 5 эВ дебаевский радиус равен ~10_4 см. Фронт тока снижает потенциал коллектора до —104... — 105 В и увеличивает электрическое поле на поверхности до ~108 В/см, обеспечивая взрывную эмиссию электронов с высокой плотностью тока. Начинается рост промежутка А между коллектором и плазмой (см. рис. 1. механизм явления описан в [4]). На левой границе плазмы появляется похожий, но меньший по длине промежуток.
Электроны РЭП с энергией 500 кэВ взаимодействуют с плазмой на частоте /hpm ~
10
ИОФ РАН, 119991 Россия, Москва, ул. Вавилова, 38; e-mail: [email protected], [email protected].
<г
1 3 ^
4
2 « 1 ь
Рис. 1: Схема плазменного релятивистского СВЧ-генератора: I - камера; 2 - релятивистский электронный пучок; 3 - плазма; 4 - коллектор.
колеблются с амплитудой
5 = Е • (!)
ши 2
где е и ш - заряд и масса электрона, Ег - амплитуда компоненты электрического поля СВЧ-волны вдоль направления магнитного поля, и - круговая частота поля волны. Для СВЧ-поля вблизи коллектора Ег ж 0.4 МВ/см амплитуда 5 ж 2 мм.
Электроны плазмы, находящиеся на расстоянии от коллектора, меньшем 5, достигают его поверхности. Потенциал плазмы увеличивается, что поддерживает ток электронов с коллектора на уровне кА [4]. Когда амплитуда колебаний электронов 5 становится меньше образовавшегося зазора А между коллектором и плазмой, падает интенсивность выноса электронов из плазмы на правую границу и снижается скорость роста ее потенциала.
Нулевой потенциал левой границы существенно превышает потенциал отрицательного коллектора, поэтому поток электронов идет насквозь через плазму от правой до левой границы. Ток электронов с коллектора взаимодействует с плазмой, передавая энергию медленной плазменной волне. Электроны, обладающие энергией < 105 эВ, взаимодействуют с плазмой на частоте, почти равной ленгмюровской частоте плазмы ^30 ГГц, существенно превышающей частоту /Нрм взаимодействия с РЭП. Групповая скорость медленной плазменной волны при таком взаимодействии << с, и энергия не излучается из плазмы, а нагревает ее до ^104... 105 эВ [4].
Наиболее горячая фракция электронов плазмы может уходить на границы, повышая потенциал плазмы и поддерживая поток электронов с коллектора в плазму. Таким образом, осуществляется своеобразный обмен: электроны с энергией, соответствующей
потенциалу плазмы, приходят в нее и термализуются, а электроны с большей энергией плазму покидают.
Рост промежутка А между плазмой и коллектором снижает коэффициент отражения плазменной волны от коллектора [3], ослабляя обратную связь в генераторе. Падение коэффициента отражения ниже порога автогенерации прекращает заметные колебания плазмы на частоте /Нрм взаимодействия с РЭП. В этот момент зазор А = 1.1 см, что снижает коэффициент отражения не более чем в 3 раза [3]. Температура частиц плазмы увеличивается от начальных 5 эВ до Тг = 700 эВ для ионов и до Те = 20 • 103 эВ для электронов.
Оценки показывают, что снижение коэффициента отражения само по себе является серьезным, но не всегда достаточным фактором для полного срыва автоколебаний. При пространственном коэффициенте усиления волны (инкременте) 5к ~ 0.22 см-1, рассчитанном по линейной теории, падение коэффициента отражения в 3 раза может быть скомпенсировано увеличением длины плазменно-пучкового взаимодействия на ~5 см. Рассчитанная начальная пороговая длина автогенерации Ььь = 6 см при полной длине Ь = 16.5 см (см. рис. 1) заставляет усомниться, что только снижение коэффициента отражения приводит к прекращению СВЧ-колебаний.
Пороговая длина автогенерации Ььь находилась в расчетах при постепенном увели-Ь
автоколебаний. Тот же метод позволил оценить влияние температуры плазмы на инкремент. Оказалось, что при изменении температуры электронов от 5 эВ до 20 кэВ (и соответствующем росте температуры ионов до 700 эВ) и отсутствии потока с коллектора через плазму пороговая длина, а вместе с ней и коэффициент усиления, практически не меняются.
Причиной существенного снижения инкремента оказался поток электронов с коллектора в плазму, порождающий колебания плазмы на частоте, отличной от /Нрм. На рис. 2 показано, что с ростом тока от 0 до 1 к А пороговая длина автоколебаний увеличивается более чем вдвое, и во столько же раз падает погонный коэффициент усиления (инкремент) плазменной волны электронами релятивистского пучка. Одновременное снижение коэффициентов отражения и усиления также можно скомпенсировать увеличением длины системы, но это увеличение должно быть очень значительным.
Сквозной поток электронов с коллектора через плазму как причину падения инкремента можно устранить, если выровнять потенциалы на границах плазмы. На рис. 3 представлена модифицированная схема плазменного релятивистского СВЧ-генератора,
Рис. 2: Зависимость пороговой длины - 1 и коэффициента усиления 5к - 2 от тока I электронов с коллектора через плазму.
Ф Я 5 3
2
Рис. 3: Схема модифицированного плазменного релятивистского СВЧ-генератора. 5 -
1
Р, МВт
200-
100-
0
0
20
40
60
80
не
Рис. 4: Зависимости мощности излучения Р от времени £ СВЧ-генераторов, показанных на рис. 1 (1) и на рис. 3 (2).
отличающаяся от показанной на рис. 1 традиционной конструкции наличием дополнительного элемента. С левой стороны плазма 3 граничит не со стенкой камеры 1, имеющей нулевой потенциал, а с электродом 5, подсоединенным через элемент Я к источнику отрицательного напряжения Ф. Если потенциалы коллектора 4 и электрода 5 синхронно снижаются, разность потенциалов на границах плазмы равна нулю, и сквозной ток через нее не возникает. В качестве источника отрицательного потенциала в эксперименте может быть использован катододержатель ускорителя, тогда Ф = —500 кВ. ВеличиЯ
плазму, напр., при Я =10 кОм ток не превысит 50 А, что значительно меньше тока кА, протекавшего через плазму в первоначальной конструкции СВЧ-генератора. Возможны и другие реализации предложенного метода выравнивания потенциалов на границах плазмы, но в рамках настоящей работы они рассматриваться не будут.
На рис. 4 показаны импульсы излучения двух СВЧ-генераторов со всеми одинаковыми параметрами, кроме дополнительного электрода, ограничивающего ток через плазму. При наличии этого электрода увеличивается коэффициент усиления волны, на что указывает меньшая задержка начала импульса. Мощность СВЧ-волны в начале импульса достигает 200 МВт, после чего стабилизируется на уровне 120 МВт, но не падает до нуля, как при отсутствии электрода.
Таким образом, чтобы подшшть срыв СВЧ-излучения, необходимо выровнять ПО-тенциальт на границах плазмы для устранения сквозного тока через нее. Очевидно, однако, и другое: способ не устраняет полностью причин укорочения СВЧ-импуттьса, он литтть сильно замедляет их развитие. Токи с границ в плазму и обратно не исчезают ПОЛНОСТЬЮ. Потеря наиболее горячих электронов, уходящих из плазмы, возмещается потоком почти моноэнергетичньтх электронов с обеих границ в положительно заряженную плазму, но эти токи вместе меньше сквозного тока с коллектора в первоначальной конфигурации. Даже при отсутствии сквозного тока температура плазмы возрастает и. как следствие, возрастает ее потенциал, усиливается электростатическое поле на коллекторе. электронный поток с коллектора и далее разогревает плазму. Тем не менее, для большинства экспериментальных установок с длительностью импульса до 100 не предложенный метод увеличения длительности СВЧ-импуттьса может быть весьма по-
Л63НЫМ.
Авторы признательны В. П. Тараканову за помощь в проведении расчетов с использованием кода "Карат", а также И. Л. Богданкевич 3£Ь ПОЛ63НЫ6 обсуждения.
Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН "Проблемы физической электроники, пучков заряженных частиц, генерации электромагнитного излучения в импульсных системах большой мощности" при поддержке РФФИ, грянт 12-08-00638-а.
ЛИТЕРАТУРА
[1] V. P. TarakanoV; User's Manual for Code KARAT (Berkley Research Associates.
Springfield, 1992).
[2] I. L. Bogdankevicli, A. A. R.ukhadze, P. S. Strelkov, V. P. Tarakanov, Problems of
Atomic Science and Technology. N. 1. Series: Plasma Physics, 102 (2003).
[3J И. Л. Богданкевич, О. Т. Лоза, Д. А. Павлов, Краткие сообщения по физике ФИАН
37(2), 16 (2010).
[4] С. Е. Ерньтлева, И. Л. Богданкевич, О. Т. Лоза, Краткие сообщения по физике
ФИАН 40(7), 10 (2013).
Поступила в редакцию 28 января 2014 г.
