книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

на свободных электронах [25], рассмотрение которых не входит в задачу настоящей монографии.

Техника сильноточных ускорителей прямого действия, зародив­ шаяся в конце 60-х годов, бурно развивается. Прогресс стимулиру­ ется целым рядом применения таких устройств. Особое влияние на развитие СЭУ оказали наиболее интенсивно финансируемые: радиа­ ционные испытания элементов военной техники в условиях, имити­ рующих взрыв ядерных устройств [9], а также эксперименты по управляемому термоядерному синтезу с инерциальным удержанием [26, 27]. Наиболее крупные и дорогостоящие сильноточные ускори­ тели созданы для этих целей и имеют параметры, удовлетворяющие именно этим применениям.

1.2.КОНЦЕПЦИИ СИЛЬНОТОЧНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ

1.2.1.Сжатие импульса

спомощью последовательной коммутации

вемкостные накопители энергии

Внастоящее время существует несколько концепций построения СЭУ, различающихся типами высоковольтных генераторов и способа­

ми формирования импульсов высокого напряжения. Рассмотрение целесообразно начать с концепции СЭУ, позволяющей сегодня полу­ чать максимальные импульсные мощности. Это достигается путем многократной компрессии импульса при последовательном переклю­ чении энергии из одного емкостного накопителя в другой. В каче­ стве быстрых накопителей обычно используются линии с распреде­ ленными параметрами.

Сильноточный электронный пучок, генерируемый ускорителем прямого действия, должен обладать импульсной мощностью, на мно­ го порядков превышающей среднюю мощность питающей сети. По­ этому ускоритель имеет три основные функции:

—генерирование высоковольтного импульса,

—компрессия импульса за счет сокращения его длительности,

—генерация сильноточного пучка.

Функциональная схема СЭУ обеспечивает выполнение ряда после­ довательных операций: накопление энергии; генерирование высоко­ вольтного импульса; компрессия импульса; формирование прямо­ угольного импульса; передача импульса и согласование с нагрузкой; генерирование электронного пучка. Эти функции выполняются эле­ ментами, составляющими блок-схему СЭУ (рис. 1.1, а): генератором высоковольтных импульсов (ГВ И ), промежуточным накопителем (П Н ), коммутатором (К ), формирующей линией (Ф Л), выходным разрядником (В Р ), передающей линией (ПЛ) и высоковольтным диодом (В Д ).

Импульс высокого напряжения от ГВИ заряжает ПН с харак­ терным временем порядка 1 мкс. Когда напряжение на ПН дости­ гает амплитудного значения, срабатывает К и ПН разряжается на

дуктивного газового коммутатора К, управляемого лазерным лучом или электрическим импульсом. ФЛ может быть выполнена в виде отрезков одинарных линий, хотя более широко применяются двой­ ные формирующие линии. Диэлектрической средой, в которой на­ капливается электрическая энергия, обычно является жидкость, причем наиболее употребительны деионизованная вода и трансфор­ маторное масло.

Передача энергии из ФЛ в ПЛ осуществляется с помощью быс­ тродействующего выходного разрядника (В Р ), работающего, как правило, в том же диэлектрике, что и ФЛ и ПЛ. Применяются две разновидности ПЛ. Это отрезки длинных линий с жидким диэлект­ риком либо вакуумные передающие линии с магнитной изоляцией. В последних высокие рабочие напряженности электрического поля достигаются вследствие отклонения электронов магнитным полем собственного тока линии. Вакуумный объем диода отделяется твердотельным изолятором от секций передающих линий, заполнен­

радиальный изолятор. В высоковольтных установках этот изолятор обычно представляет собой сборную конструкцию с градиентными кольцами. Подробное описание элементов СЭУ и особенностей таких ускорителей можно найти в [29— 31] .

Схему построения сильноточного ускорителя (см. рис. 1.1, б) целесообразно применять тогда, когда необходимо получить пре­ дельно возможную мощность в коротком импульсе. В этом случае СЭУ состоит из большого количества (4 — 36) параллельно рабо­ тающих цепей, доставляющих энергию к нагрузке с высокой сте­ пенью синхронизации. В табл. 1.1 приведены основные параметры мощных наносекундных сильноточных ускорителей. Стоимость наиболее мощных из них составляет десятки миллионов долларов, и их сооружение возможно лишь в рамках национальных государ­ ственных программ. Нетрудно видеть, что рассмотренные СЭУ не предназначены для генерирования релятивистских электронных пуч­ ков микросекундной длительности, а также для получения импуль­ сов с высокой частотой повторения.

1.2.2. Прямая передача энергии от первичного накопителя в диод

Проблема получения РЭП с микросекундной длительностью ре­ шается с помощью СЭУ, в которых генератор высоковольтных им­ пульсов нагружается непосредственно на вакуумный диод. Генера­ тором высоковольтных импульсов может быть либо генератор Марк­ са [32], либо LC-генератор [33]. Импульсно-периодические СЭУ, генерирующие электронные пучки наносекундной длительности с высокой частотой повторения, создаются обычно на основе концеп­ ции, в которой используется трансформаторная зарядка ФЛ с рас­ пределенными параметрами. Импульсный трансформатор может сов­ мещаться с ФЛ [34] либо работать отдельно [35].

Функциональная схема такого ускорителя содержит четыре стадии: накопление энергии; генерирование высоковольтного им­ пульса; передача импульса; генерирование электронного пучка. Блок-схема ускорителя состоит из генератора высоковольтных им­ пульсов, включенного через передающий элемент на вакуумный диод.

Вместо генератора Маркса в качестве ГВИ иногда использует­ ся генератор с инверсией напряжения, предложенный Фитчем и Говелом [36]. Большая внутренняя индуктивность генераторов Марк­ са существенно ограничивает их мощностные характеристики. Зна­ чительный вклад в общую индуктивность генератора вносят разряд­ ники. Проблема уменьшения индуктивности ГВИ решается либо использованием большого количества параллельно включенных ли­ неек генераторов Маркса, коммутируемых с высокой синхронностью (разброс ± 1 0 нс), либо применением LC-генератора, который позво­ ляет исключить индуктивность разрядников из контура ГВИ. В та­ ком генераторе [37] два соседних конденсатора заряжаются напря­ жением противоположной полярности так, что при зарядке напря­ жение на выходе генератора отсутствует. После замыкания ключей К каждый второй конденсатор С начинает перезаряжаться через

индуктивность L. Через время %= %llLC все конденсаторы имеют одинаковую полярность, а напряжение на выходе цепи достигает максимального значения nUo. Основное требование: время переда­ чи энергии от LC-генератора в нагрузку должно быть меньше, чем характерное время изменения напряжения цепи при перезарядке.

Передающим элементом между ГВИ и ВД является коаксиаль­ ная линия, заполненная маслом, если в СЭУ используется ГИН за­ крытого типа с масляной изоляцией [32], либо линия с пленочной изоляцией, пропитанной электролитом [38]. Высоковольтный ваку­ умный изолятор состоит из диэлектрических колец, чередующихся с градиентными металлическими кольцами. Последние предназначе­ ны для распределения напряжения на диоде равномерно по длине изолятора и позволяют также предотвратить развитие поверхностно­ го пробоя.

1.2.3.Компрессия импульса

спомощью индуктивных накопителей энергии

Плотность энергии, запасаемой в генераторах Маркса, не пре­ вышает 5 кДж/м3 при выходном напряжении 2 —2,5 МВ [39]. С ростом напряжения она снижается примерно обратно пропорцио­ нально выходному напряжению. Например, для ГИН установки «Аврора» J9], имеющего выходное напряжение 11,4 МВ, плотность запасаемой энергии составляет 0,43 кДж/м3. Низкая плотность энер­ гии приводит к значительной индуктивности разрядной цепи, что

Доминирующим способом увеличения мощности СЭУ является компрессия импульса с помощью быстрых накопителей на линиях с распределенными параметрами и быстродействующих коммутато­ ров. Чтобы получить выходную мощность 1— 10 ТВт, необходима многократная компрессия импульса. Установки, использующие этот принцип, становятся чрезвычайно сложными и дорогими. Это об­ стоятельство стимулирует многочисленные попытки исследователей улучшить параметры емкостных накопителей энергии с помощью гибридных схем, где для компрессии импульса применяется проме­ жуточный индуктивный накопитель (ПИН). Действительно, плот­ ность энергии, запасаемой в магнитном поле неразрушаемых соле­ ноидов, достигает 40 — 100 МДж/м3. Это открывает возможность создания индуктивных накопителей энергии с объемом, в тысячи раз меньшим, чем у емкостных накопителей, и соответственно сущест­ венного уменьшения стоимости всей установки, особенно устройств с мощностью в десятки тераватт.

Основным элементом СЭУ с компрессией энергии в ПИН

следующим образом: при замыкании разрядника Pi ток от накопи­ теля емкостью Ci, заряженного до напряжения t/о, течет через ин­ дуктивный элемент L и прерыватель П, находящийся в замкнутом состоянии. Нагрузка отделена разрядником Р2. Сопротивление пре­ рывателя i?n, в закрытом состоянии низкое, резко увеличивается, когда ток в индуктивном элементе достигает максимума. Рост Rn на несколько порядков приводит к резкому снижению тока и генери­ рованию импульса напряжения на индуктивном элементе. Если раз­ рядник Р 2 настроен так, что он пробивается этим напряжением, ток переключается в нагрузку и напряжение на ней может многократ­ но превысить напряжение Со.

Считая конденсатор С (рис. 1.2, б) первичным источником тока и полагая, что импеданс прерывателя является чисто активным и

уменьшить габариты прерывателя за счет зигзагообразного распо­ ложения проводников. Этот прием используется в ряде устано­ вок [41, 42].

Материал ЭВП также является важным фактором, поскольку он влияет на эффективность использования ЭВП. Более всего при­ годны материалы с высокой проводимостью и низкой теплотой суб­ лимации, такие как серебро, медь, золото и алюминий. Экономиче­ ски выгодны лишь Си и А1. Время от момента подачи напряжения на ЭВП до взрыва (время задержки) зависит от плотности тока и материала проводника. Оно обратно пропорционально квадрату плотности тока. На основании большого числа экспериментов было

установлено, что удельное действие цв = | fd t остается практиче-

о

ски постоянным за время взрыва tB при изменении плотности тока/ от 105 до 10б А/мм2.

Важна также максимальная напряженность электрического по­ ля Е, которую может выдержать прерыватель в разомкнутом состо­ янии. Она зависит от плотности тока / и времени задержки At. Многоступенчатое последовательное включение ЭВП обеспечивает возможность быстрого размыкания [43—45]. ЭВП могут также ус­ пешно работать в системах с токами в десятки мегаампер [46], но время размыкания составляет в этом случае несколько сотен нано­ секунд.

Плазменные эрозионные размыкатели (ПЭР) используются, как правило, в индуктивных накопителях с вакуумными коаксиальными

линиями (ВКЛ) (рис. 1.5). Плазменный эрозионный размыкатель содержит источники, инжектирующие потоки плазмы в область меж­ ду двумя коаксиальными проводниками ВКЛ. Такие размыкатели отличаются высокой скоростью размыкания цепи (10— 100 нс). Их. начали впервые применять для подавления предымпульсов и обо­ стрения импульсов в вакуумных диодах мощных генераторов [47] . Позднее их стали использовать для компрессии импульса, сочетая: с промежуточным индуктивным накопителем в вакууме [48]. Ин­ дуктивное накопление энергии в вакууме при напряжениях и токах, достаточных для генерации релятивистских электронных пучков, привлекательно резким упрощением схемы СЭУ, особенно если энер­ гия вводится в индуктивный накопитель прямо от генератора Марк­ са. Индуктивным накопителем в этом случае служит вакуумная коаксиальная линия, которая при большом токе может за счет маг­

можно запасти в сотни раз большую энергию, чем в режиме емкост­ ного накопления.

Энергия магнитного поля накапливается в ВКЛ, когда ПЭР «закрыт» и в линии нарастает ток, который замыкается через плаз­ му прерывателя. Эта плазменная область имеет размер 5 — 10 см, если фаза проводимости длится десятки наносекунд, и значительно увеличивается при микросекундной ее длительности. Нагрузка в ви­ де вакуумного диода располагается у конца внутреннего стержня ВКЛ. Источники плазмы срабатывают за 1—3 мкс до включения генератора высоковольтных импульсов. Таким образом, плазма пе­ ремыкает промежуток между внутренним и внешним проводниками: еще до прихода импульса высокого напряжения. В оптимальных ус­ ловиях ПЭР в стадии проводимости полностью шунтирует нагрузку и начинает прерывать ток, тогда последний до­

нулю и происходит накачка индуктивного накопителя. Ионы дрей­ фуют из плазмы к катоду со скоростью vv. Электронный 1е и ион­ ный U токи определяются биполярным соотношением

С++ а ^ 0,01. Эта фаза заканчивается, когда ток, отбираемый из ■плазмы, превысит порог биполярного соотношения, т. е. дрейфовый

тде rii — концентрация ионов, г — радиус катода, I — длина плазмен­ ной области. При пороговом токе /о слой пространственного заряда электронов вблизи катода распространяется по всей длине плазмы.

б. Эрозионная фаза (рис. 1.6, б) возникает тогда, когда ток че­ рез плазму / г > /о. При этом ионы отбираются на катод быстрее, чем поступают из плазмы. Поэтому длина промежутка растет по закону

магнитное поле начинает существенно искривлять траектории

влияние пространственного заряда. Соотношение между 1е и /< из­ меняется, и доля последнего в общем токе значительно возрастает:

Следствием является резкое увеличение размеров слоя простран­ ственного заряда и рост сопротивления прерывателя. Скорость эро­ зии существенно повышается в соответствии с (1.7). Резкое увели­ чение сопротивления прерывателя вызывает быстрый рост тока в нагрузке.

г. Ток в нагрузке возрастает настолько, что обеспечивает маг­ нитную изоляцию электронного потока в районе прерывателя, на­ ступает стадия магнитной изоляции (рис. 1.6, г). Электронный ток через ключ прекращается при / Н> / КР. Остается лишь ионный ток, который определяется законом Чайльда — Ленгмюра.

Эта модель может объяснить большинство электрических свойств ПЭР при быстрой накачке, но она не дает понимания фи­ зических процессов внутри плазмы. Между тем пространственные