Источник сильноточного релятивистского сфокусированного электронного пучка на основе плазмонаполненного диода

Интерес к плазмонаполненным диодам обусловлен в первую очередь их низким импедансом (единицы Ом), что позволяет на один–два порядка увеличить мощность пучка при заданном напряжении в сравнении с вакуумными диодами и использовать в качестве питающего источника низкоомные генераторы. Плазма диода нейтрализует собственное электромагнитное поле пучка и обеспечивает его прохождение и фокусировку на аноде. Другой особенностью плазмонаполненного диода является возможность его использования в качестве прерывателя тока, увеличивая выходную мощность питающего генератора. Названные достоинства делают плазмонаполненный диод перспективным источником сильноточного релятивистского сфокусированного электронного пучка. Электронный пучок диода может быть использован для реализации высоких плотностей энергии и мощности на аноде, возбуждения ударных волн и получения высоких давлений, а также генерации мощного рентгеновского излучения.

Техника линейных импульсных трансформаторов дает возможность напрямую запитывать плазмонаполненный диод с временем нарастания тока 150 нс без использования промежуточных накопительных линий, заполненных жидким диэлектриком. В результате достигается существенное упрощение конструкции, снижении габаритов и стоимости электронного ускорителя. Так в ИСЭ СО РАН в рамках проекта РФФИ 11-08-00501-а создан компактный источник электронного пучка на основе плазмонаполненного диода и линейного импульсного трансформатора. Плазмонаполненный диод с единичным плазменным каналом малого диаметра ~1 см обеспечивал протекание тока в низкоомной фазе 100 кА с временем нарастания 150 нс и генерацию электронного пучка с энергией 1 МэВ и пиковой мощностью 100 ГВт. Удельная мощность выделения энергии на аноде составила >10 ГВт/см2. За счет использования плазмонаполненного диода выходное напряжение и мощность трансформатора увеличились в 2.5 раза в сравнении с режимом разряда на согласованную нагрузку.

Схема построения линейного трансформатора позволяет на основе отработанной элементной базы дальнейшее наращивание запасаемой энергии с пропорциональным увеличением мощности вывода энергии из емкостных накопителей. Вопросы, связанные с увеличением мощности и энергии электронного пучка плазмонаполненного диода при увеличении энергии и мощности питающего генератора, требуют исследований. Целью данного проекта является исследование возможности увеличение мощности и энергиии пучка плазмонаполненного диода, как за счет увеличения тока диода свыше 100 кА, так и за счет увеличения напряжения на диоде свыше 1 МВ при сохранении диаметра пучка 1 см. В процессе работы основное внимание будет уделено решению фундаментальных электрофизических задач, таких как формирования в диоде низкоомного разряда (<0.1 Ом) с плотностью тока >100 кА/см2, длительностью 150 нс и последующей генерации остросфокусированного мощного электронного пучка с энергией электронов >2 МэВ.

Увеличена мощность источника сильноточного релятивистского электронного пучка на основе плазмонаполненного диода и линейного импульсного трансформатора более чем в 1.5 раза со 100 до 160 ГВт за счет увеличения тока источника. С этой целью: 1) Проведена модернизация линейного импульсного трансформатора с шестью последовательно включенными ступенями в результате которой уменьшено волновое сопротивление линии вторичного витка и увеличен ток в короткозамкнутой нагрузке со 150 до 230 кА при времени нарастания около 200 нс. 2) Методами высокоскоростной фото съемки 4-х кадровой цифровой камерой HSFC PRO с временным разрешением до 3 нс и измерений ионного потока выполнены исследования режимов генерации плазмы в пушке капиллярного типа, направленные на поиск путей увеличения тока через единичный плазменный канал диаметром около 1 см. 3) Выполнены исследования по увеличению тока в низкоомной фазе плазмонаполненного диода на основе пушки капиллярного типа. Продемонстрирована возможность увеличения тока в диоде за счет увеличения скорости его нарастания. Для фиксированных параметров плазменного канала получено увеличение, как амплитуды тока со 100 до 185 кА, так и прошедшего в низкоомной фазе заряда с 6 до 10 мКл при увеличение скорости нарастания тока в 2 раза. Скорость нарастания сопротивления диода в высокоомной фазе сохранилась на уровне 0.5 Ом/нс. Амплитуда генерируемого напряжения на диоде составила около 1 МВ. Показано, что увеличение тока в диоде за счет наращивания тока в плазменной пушке имеет ограничение. При токе в пушке свыше 7 кА рост амплитуды тока низкоомной фазы диода прекращается. Дальнейшее увеличение тока возможно за счет применения в пушке нескольких капилляров. Апробированы плазменные пушки из силиконовой резины диаметром 10 мм с двумя и тремя капиллярами. Продемонстрирован пропорциональный рост прошедшего в низкоомной фазе заряда с увеличением числа капилляров. Предложен вариант исполнения питающего генератора и выполнен численный расчет электрической схемы замещения, подтверждающий возможность реализации в плазмонаполненном диоде напряжения 2 МВ и мощности 280 ГВт.