ОБЛАСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО СТРИМЕРНОГО  МИКРОВОЛНОВОГО РАЗРЯДА В ПОКОЯЩЕМСЯ ГАЗЕ

К.В.Ходатаев, Л.П.Грачев, И.И.Есаков

Московский Радиотехнический институт РАН, Москва, Россия

    Разряд в воздухе при давлении несколько десятков Торр и выше в поле импульсного СВЧ излучения реализуется в стримерной форме и благодаря этому может развиваться в поле E_o, меньшем критического E_cr (т.е., поля E, при котором частота ионизации n_i(E) равна частоте прилипания n_a) [1,2]. Разряд в этом случае будем называть подкритическим. Зарождение подкритического разряда осуществляется либо в области, где E>E_cr, с дальнейшим распространением в район малого поля,  либо с помощью инициатора. Подкритический разряд, полученный с помощью инициатора, принято называть инициированным или стимулированным. Подкритический разряд способен распространяться со скоростью нескольку км/сек [3].
    Настоящая работа посвящена экспериментальному определению области существования подкритического разряда на плоскости (Е_о, p), p- давление газа. Эксперимент проводился на установке с длиной волны 8.5 см в сфокусированном излучении с длительностью импульса 40 мксек, подробно описанной в [4]. В качестве инициатора использовался металлический полуволновый вибратор, ориентированный вдоль напряженности электрического поля.
    Эксперимент показал, что существует отчетливая граница на плоскости (E_о, p), отделяющая область существования подкритического стримерного разряда, зародившегося на концах инициатора (вибратора) и свободно распространяющегося навстречу излучению, от области, где разряд остается привязанным к инициатору. При атмосферном давлении параметр подкритичности y=E_cr/E_о на границе области достигает y=17. При давлении 30 Торр параметр подкритичности на границе падает до y=1, т.е. разряд перестает быть подкритическим. Одновременно он перестает быть стримерным, приобретая форму диффузного.
    Граница существования самостоятельного подкритического разряда находит разумную теоретическую трактовку в рамках модели стримерного микроволнового разряда, неотделимым элементом которой являются тепловые процессы.

    Литература.
    [1] Л.П.Грачев, И.И.Есаков, К.В.Ходатаев, В.В.Цыпленков. Эволюция структуры газового разряда в фокусе СВЧ излучения  в зависимости от давления. //ЖТФ, 1994, т.64, в.1, сс.74-88.
    [2] Л.П.Грачев, И.И.Есаков, Г.И.Мишин, К.В.Ходатаев. Стадии развития безэлектродного СВЧ разряда. //ЖТФ, 1996, т.66, в. 7, сс. 32-45.
    [3] Л.П.Грачев, И.И.Есаков, Г.И.Мишин, К.В.Ходатаев. Скорость фронта стимулированного СВЧ разряда в волновом пучке. //ЖТФ, 1995, т.65, в.5, сс.21-30.
    [4] Л.П.Грачев, И.И.Есаков, К.В.Ходатаев, В.В.Цыпленков. Установка для исследования импульсного безэлектродного СВЧ-разряда в газах высокого и среднего давления // Препринт МРТИ АН СССР, 1990, №9005, 14с.

ФИЗИКА ПОДКРИТИЧЕСКОГО СТРИМЕРНОГО РАЗРЯДА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА СВЕРХЗВУКОВУЮ АЭРОДИНАМИКУ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

К.В.Ходатаев

Московский Радиотехнический институт РАН, Москва, Россия

    Экспериментальные и теоретические иcследования газового разряда в поле микроволнового излучения показывают, что микроволновый разряд обладает свойствами, открывающими реальные пути его приложения для решения проблем аэродинамики сверхзвуковых летательных аппаратов [ ]. Микроволновый разряд при длине волны несколько сантиметров и давлении воздуха несколько десятков Торр и выше приобретает стримерный характер. Область газового разряда заполняется сложной густой сетью тонких плазменных каналов. Исследования показали, что энергия электромагнитного поля поглощается такой сетью проводящих каналов с высокой эффективностью. Высокая эффективность поглощения объясняется тем, что поглощение является резонансным. В каждый момент времени в сети формируется достаточное количество полуволновых проводящих элементов, в которых возбуждаются резонансные токи на частоте излучения. Резонансное поглощение поднимает температуру газа в тонких каналах до нескольких тысяч градусов, что приводит к локальному падению плотности во много раз. За фронтом разряда остается сеть горячих малоплотных каналов, пронизывающих холодный газ. Стримерный эффект позволяет поддерживать разряд в полях, уровень которых во много раз ниже критического (пробойного). Скорость распространения стримерного разряда достигает нескольких км/сек, что позволяет ему существовать в сверхзвуковых потоках газа. Эксперименты показали, что распространение ударных волн через сеть малоплотных каналов, оставляемых разрядом, сопровождается их сильным поглощением. Волна N-типа пространственно растягивается и уменьшается по амплитуде. Имеются результаты по полной деструкции ударных волн после прохождения зоны газоразрядной неоднородности. Механизм поглощения энергии ударно-волнового движения связан с интенсивным вихреобразованием при встрече ударного фронта с тонкими малоплотными каналами.
    Отмеченные особенности открывают реальные пути использования микроволнового стримерного разряда в аэродинамике, в частности,
   -для подавления головной ударной волны сверхзвуковых гражданских авиалайнеров, создающих труднопреодолимые экологические преграды для их широкого использования,
   -для управления потоками вокруг летательного аппарата (снижение силы головного сопротивления, волнового и поверхностного, определение положения скачков, создание зон отрывного течения для улучшения аэродинамики аппарата и т.д.),
   -для управления поджигом и процессом горения в прямоточных двигателях.
    Наконец, возможность эффективного вклада энергии в сверхзвуковой поток позволяет вернуться к разработке идей о полетах с т.н. внешним горением.

    Литература.
    [1] K.V.Khodataev. Physics of the Undercritical Microwave Discharge and Its Influence on the Supersonic Aerodynamics and Shock Waves. //Proc. of Workshop on Weakly Ionized Gases. USAF Academy, Colorado 9-13 June 1997, v. 1, pp. L-1 - L-12.

СПЕКТР-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННО ПЕРИОДИЧЕСКИХ  СТРУКТУР ПЛАЗМЫ

Комаров Н.Н., Кварцхава И.Ф.U *), Зукакишвили Г.Г. *)

   НПП ВНИИ Электромеханики, г. Москва
*)Сухумский физико-технический институт, г. Сухуми

     В работе для плазменных систем с цилиндрической симметрией (типа ТРИАКС) исследуются свойства     конфигурационной неоднозначности, обусловленной биффуркацией решений, и  определены наборы характерных геометрических  параметров для всего спектра конфигураций.
     Получено точное аналитическое выражение  для  энергетического критерия - разности магнитных энергий  (E₁-E₂) между любыми  двумя  плазмоидами с пространственно-периодической   структурой одного  итого же порядка с одинаковыми интегральными характеристиками, но с различной глубиной модуляции периодичности, включая  и  нулевую.  Введeнный критерий позволяет проводить сравнительный энергетический анализ  всех  возможных  конфигураций плазмы рассмотренных классов.

ВОЗБУЖДЕНИЕ  ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  КРИСТАЛЛОВ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫМИ  РАЗРЯДАМИ

Коныжев М.Е., Батанов Г.М., Иванов В.А.

Институт общей физики PАН, Москва, Pоссия

    Исследуется новое явление - интенсивное свечение (в оптическом диапазоне  длин  волн  400-700 нм) неокpашенных кристаллов фторида лития LiF, возбуждаемых в вакууме безэлектродным импульсным свеpхвысокочастотным (СВЧ) pазpядом на предпробойной стадии развития. На основе экспериментальных  данных  и  анализа  спектров  оптического   поглощения  и  фотолюминесценции кристаллов LiF (предварительно окрашенных с помощью СВЧ разрядов) показано, что наблюдаемое свечение неокpашенных кристаллов LiF пpедставляет собой люминесценцию наведенных коpоткоживущих агpегатных F₂ и F₃⁺ центpов окраски с характерными временными константами разгорания и затухания ~ 1 мкс, которые более чем на порядок превышают величины радиационного времени жизни возбужденных излучательных состояний F₂ и F₃⁺ центpов окраски [1-3].
    Показано, что СВЧ разряд вызывает сверхвысокую плотность возбуждения приповерхностного слоя диэлектриков. Так, возбуждение кpисталлов LiF низкоэнергетичными электpонами СВЧ разряда с характерной энергией электронов 1 кэВ, концентрацией электронов 1ґ10¹⁰ см^-3, длительностью импульса СВЧ разряда 1 мкс характеризуется удельной плотностью энерговклада  ~ 500 Дж/см³  и концентpацией  ~ 1ґ(10¹⁹-10²⁰) см-3 коpоткоживущих агрегатных F₂ и F₃⁺ центpов окpаски,  наведенных в приповерхностном слое LiF кристаллов СВЧ  pазpядами. Эти величины на несколько  порядков превышают аналогичные величины, соответствующие возбуждению диэлектрических кpисталлов импульсными сильноточными электpонными пучками, рентгеновским или гамма излучениями [1, 3].
    Исследования проводились на эспериментальной установке ИВА, в состав которой входят: мощный импульсный магнетрон (с частотой генерации электромагнитных волн 2 ГГц, длительностью импульсов от 1 до 50 мкс, мощностью СВЧ излучения в импульсе до 5 МВт), волноводный тракт с ферритовыми вентилями и аттенюаторами для транспортировки и ослабления СВЧ излучения, экспериментальная вакуумная камера в виде металлического волновода пpямоугольного сечения 120ґ57 мм и система безмасляной вакуумной откачки камеры до давления 1ґ10^-4  Па.

    Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Проект №96-02-17647)  и ФЦП  “ИНТЕГРАЦИЯ “ (Проект № 450).

    Литература.
    1. Батанов Г.М., Иванов В.А., Коныжев М.Е., Летунов А.А.  Люминесценция короткоживущих центров окраски, наведенных в кристаллах LiF импульсным микроволновым разрядом. Письма в ЖЭТФ, 1997. Т. 66. №3. С. 163-167.
    2. Ter-Mikirtychev V.V., Tsuboi T., Konyzhev M.E., Danilov V.P.   Spectroscopic characteristics of color centers produced in a LiF crystal surface layer by microwave discharge. Phys. Stat. Solidi (b), 1996. V. 196. No. 1. P. 269-274.
    3. Батанов Г.М., Иванов В.А., Коныжев М.Е.  Микроволновый  пробой ионных кристаллов,   инициированный   вторично-эмиссионным   разрядом.   Письма  в ЖЭТФ, 1994. Т. 59. №10. С. 655-658.

ДИНАМИКА СЖАТИЯ И ВОЗБУЖДЕНИЯ ВУФ СПЕКТРОВ В КАПИЛЯРНОМ РАЗРЯДЕ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЕННОГО ФОКУСА В РЕЖИМЕ РАЗМЫКАТЕЛЯ ТОКА.

П.С.Анциферов, Д.А.Глушков, Л.А.Дорохин, К.Н.Кошелев. Ю.В.Сидельников, Э.Ю.Хаутиев*

Институт спектроскопии РАН, 142092 Троицк, Московская обл.
* Сухумский Физико-Технический Институт

    1. Актуальность исследования капиллярного разряда в настоящий момент связана с проблемой создания компактного источника когерентного мягкого рентгеновского излучения. Энергетика такого разряда может быть относительно небольшой (~100Дж), при этом существенным является скорость нарастания тока , которая должна составлять величину близкую к 10¹² А/сек.
    2. В настоящей работе сообщается о применении плазменного фокуса в качестве индуктивного накопителя и, одновременно, размыкателя для быстрой коммутации тока из цепи основного разряда в цепь капилляра. Скачок активного сопротивления пинчующегося плазменного столба в разряде плазменного фокуса приводит к возникновению перенапряжения между анодом и катодом 100-200 кВ, которое может быть использовано для разгона тока в параллельной нагрузочной цепи.
    3. В экспериментах был использован плазменный фокус мейзеровского типа с диаметром внешнего электрода 70 мм, внутреннего электрода 26 мм и общей длиной 110 мм. Основная разрядная емкость составляла 10 мкФ, рабочее напряжение - 25 кВ. Время первого полупериода - 3.2 мкс, максимальный ток в основной цепи без подключения капилляра - 200 кА. Узел капиллярного разряда размещался на одной оси с системой электродов фокуса и отсекался от них воздушным разрядником, срабатывавшим при достижении перенапряжения величины 30 - 40 кВ. В качестве капилляра использовалась фарфоровая трубка с внешним диаметром 10мм и внутренним диаметром 5 мм. Трубка заполнялась аргоном при давлении 0.5 торр. Установка позволяла получать токи через капилляр 50-60 кА за времена порядка 200 нс.
    4. Динамика развития плазменного шнура в капилляре изучалась с помощью камеры обскуры с регистрацией изображения с применением открытой МКП камеры с кадровым временным разрешением. Измерения показали, что после первых 100 нс развития тока, в капилляре возникает ВУФ свечение плазмы диаметром 1-2 мм, которое стационарно существует в течение 200 - 300 нс.
    5. Были получены ВУФ спектры плазмы капиллярного разряда с помощью спектрографа скользящего падения, в котором также была применена МКП камера для регистрации спектров с временным разрешением. Спектры показали присутствие ионов Ar VIII, Ar IX  и Ar X, что соответствует температуре порядка 100 эВ. Интенсивность линии Ar IX 46.9 нм указывает на возможное присутствие эффектов стимулированного излучения.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СТОЯЧИХ ЛЕНГМЮРОВСКИХ ВОЛН И ИОНОВ В ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЕ.

Коваленко В.П., Коваленко А.В.

Институт физики Национальной Академии Наук Украины, Киев

    Показано, что электрическое поле стоячих ленгмюровских колебаний в холодной плазме содержит независящую от времени составляющую. Эта составляющая препятствует пондемоторному дрейфу электронов и в то же время приводит в движение ионы. С использованием Лангранжевых переменных изучена самосогласованная одномерная динамика электронных колебаний и медленного ионного движения.
    Для начального возмущения скорости электронов вида     выведена следующая система уравнений для смещения  произвольного иона из первоначального положения х₀  и высокочастотного смещения электрона  относительно этого иона.
 

       (1)

где   - электронная и ионная плазменные частоты соответственно. Решение этой системы уравнений показывает, что в момент времени ,  где   наступает пересечение электронных траекторий. Этот момент времени близок к определённому в [1] другим методом. Найдено также смещение ионов, которое оказалось независящим от   и показано, что ионы получают к этому моменту лишь малую часть первоначальной осцилляторной энергии электронов. Обращается внимание на принципиальное отличие эффекта от явления модуляционной неустойчивости и сформулировано условие, разграничивающее эти процессы.

    1. Исиченко М.В., Яньков В.В., Физика плазмы, 1986, т. 12, с. 169.

 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЩНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ С МАТЕРИАЛАМИ

Литуновский В.Н., Кузнецов В.Е., Овчинников И.Б., Титов В.А.

Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова, 189631, С. Петербург

    Экспериментальное изучение процессов взаимодействия мощных (~10¹¹ Вт/м²) плазменных потоков с материалами представляет значительный интерес с точки зрения создания модели влияния срывов плазмы на элементы конструкции ИТЭР.
    В докладе приведены основные результаты подобных исследований на установке ВИКА. Источник плазмы - длинноимпульсный плазменный ускоритель - способен генерировать плазменные потоки с плотностью энергии до 30 МДж/м² (эффективный диаметр ~0.04 м) и регулируемой длительностью t_р=0.09-0.36 мс (со стационарным уровнем мощности потока в течение импульса). Энергия протонов
e_IЈ200 эВ. Уровень примесей не превышает 1%.
     Основные параметры плазмы защитного слоя, возникающего у поверхности мишени (графит, вольфрам), получены на основе данных  спектроскопии в видимой и УФ (ВУФ) областях спектра и измерения поглощения зондирующего излучения He-Ne лазера. Показано, что плотная (n_e~10¹⁸ см^-3) плазма защитного слоя с Т_e~5-10 эВ является оптически плотной для видимого излучения и эффективно (і90%) снижает поток энергии на материал. С помощью калориметрических измерений показано, что эффективность защитного слоя возрастает с мощностью и временем облучения. Уровень поглощаемой мощности слабо зависит от вида материала и мощности облучения и может быть охарактеризован универсальной величиной Р_abs~300-500 кВт/см², что совпадает с данными численного моделирования подобных процессов.
     Приведенны данные влияния магнитного поля (В~2Т) на параметры плазмы защитного слоя и эффективность экранирования.

ФИЗИКА И КОЛЛАЙДЕРНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ КИЛЬВАТЕРНОГО УСКОРЕНИЯ С ЗАРЯЖЕННЫМИ СГУСТКАМИ В КАЧЕСТВЕ ДРАЙВЕРА

Лотов К.В., Кудрявцев А.М., Скринский А.Н.

Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, 630090, Новосибирск, Россия

    На сегодняшний день не обнаружено фундаментальных физических эффектов, запре-щающих создание коллайдера с энергией порядка ТэВ на основе кильватерного ускорения. Однако потребности физики высоких энергий и современный уровень технологии наклады-вают определенные ограничения на возможные параметры такого коллайдера. Так опти-мальная плотность плазмы лежит в пределах 10¹⁵–10¹⁶ см^-3. При меньшей плотности мало ускоряющее поле, при большей — мало число частиц в ускоряемом сгустке, что не позволяет достичь желаемой светимости.
    Чтобы обеспечить малость эмиттанса ускоряемого сгустка, необходимы высокая степень воспроизводимости поля в плазме и коррекция траектории драйвера в процессе ускорения. Поэтому наилучшими кандидатами на роль драйвера представляются сгустки заряженных частиц (их траектории можно контролировать внешними магнитными линзами, как в обыч-ных ускорителях).
    При доступных на сегодняшний день параметрах электронных пучков оптимальной кон-фигурацией драйвера является последовательность из 5--10 коротких сгустков с радиусом порядка величины аномального скин-слоя.
    Численное моделирование показывает, что правильным образом приготовленная последо-вательность электронных сгустков (с энергией 10 ГэВ) в плазме длины 10 м может ускорить 5·10⁹ электронов на 10 ГэВ с энергетическим разбросом менее 5% и с КПД более 12%. На основе данного моделирования предлагается схема линейного коллайдера с энергией 1 ТэВ. Ключевые моменты данной концепции (методика приготовления драйвера, соответствие численных и экспериментальных результатов) могут быть проверены экспериментом по кильватерному ускорению, готовящимся в ИЯФ (Новосибирск).

НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ДЛИННЫХ СГУСТКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В КИЛЬВАТЕРНОМ УСКОРИТЕЛЕ

Лотов К.В.

Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, 630090, Новосибирск, Россия

    В кильватерном ускорителе длинные (по сравнению с периодом плазменных колебаний 2pc/w_p) сгустки заряженных частиц быстро разрушаются из-за развития поперечной двухпотоковой неустойчивости.
    Если в системе нарастает только одна мода неустойчивости (например, инициированная резким передним фронтом сгустка), то плотность сгустка быстро самомодулируется, возбуждаемое им кильватерное поле многократно возрастает, неустойчивость насыщается, и далее сгусток устойчиво движется в плазме.
    Если в системе одновременно нарастают много мод неустойчивости (как в случае плавного переднего фронта сгустка), то за время нескольких бетатронных колебаний сгусток полностью разрушается, а составляющие его частицы приобретают большой угловой разброс, почти не теряя энергии.
    Последовательность коротких сгустков устойчива по отношению к поперечной двухпотоковой неустойчивости.
    Таким образом, длинные сгустки с плавным нарастанием плотности не пригодны для кильватерного ускорения.

ПЛАЗМЕННАЯ КОМПЕНСАЦИЯ ПОЛЕЙ ВСТРЕЧНЫХ ПУЧКОВ В КОЛЛАЙДЕРАХ

Лотов К.В., Яшин А.Н.

Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, 630090, Новосибирск, Россия

    Электромагнитное взаимодействие пучков в месте встречи является одним из факто-ров, ограничивающих светимость будущих коллайдеров. Поля пучков можно умень-шить при их взаимодействии в плазме. Ранее степень компенсации полей исследовалась только в линейном приближении (случай большой плотности плазмы) и без учета фо-кусировки пучка плазмой [1].
    В настоящей работе рассматривается плазменная компенсация при произвольном соотношении плотностей пучков и плазмы. Показано, что для представляющих практи-ческий интерес параметров системы линейная теория верна с точностью 10%. Из-за нелинейных эффектов степень компенсации зависит от знака заряда пучка. Найдена оптимальная толщина плазмы, обеспечивающая максимальную компенсацию полей при заданных параметрах пучков. Рассчитана степень компенсации полей для мюонного коллайдера [1].

    Литература.
    1. G.V.Stupakov and P.Chen, Phys.Rev.Lett. 1996, v.76, p.3715.

Компьютерное моделирование столкновений кулоновских частиц в плазме

С. А. Майоров

Институт Общей физики РАН, г.Москва, Россия

    Современная теория столкновений в идеальной плазме основывается на работе Ландау [1], в которой расходимость получаемого интеграла столкновений  устранялась путем ограничения верхнего предела интегрирования по прицельному параметру дебаевским радиусом. Обоснованность обрезания кулоновских сечений  на дебаевским радиусе мотивируется эффектом экранирования в плазме. Этот вопрос обсуждался во многих работах [2-5] и в настоящее время считается общепринятым, что эффект дебаевского экранирования зарядов является физической причиной сходимости интеграла столкновений Больцмана для газа заряженных частиц.
    Методом компьютерного моделирования из первопринципов проведено исследование столкновений в плазме [6]. Параметры и результаты 12 расчетов приведены в таблице.
 

N  расчета	z	L	L*	rD/rii	rmax/rii	t0/tei	mi/me	(z+1)n
1	1	3,9	3,2	1,1	0,5	20	102	256
2	1	3,9	3,2	1,1	0,7	20	102	1024
3	1	3,9	3,2	1,1	0,7	20	102	4000
4	1	4,9	3,7	1,5	0,45	50	103	1024
5	1	6	4,5	2,2	0,5	20	106	1024
6	1	6,3	5,0	2,5	0,6	100	103	1024
7	1	7,4	5,9	3,5	0,8	100	103	1024
8	2	5,6	4,0	1,9	0,4	50	103	766
9	8	6,7	4,3	2,7	0,4	80	104	674
10	8	6,7	5,1	2,7	0,6	100	105	674
11	8	6,7	5,1	2,7	0,6	25	105	3600
12	80	6,7	5,2	2,7	0,6	25	105	3969

    Приведены номер расчета, заряд ионов , кулоновский логарифм, кулоновский фактор (логарифм), вычисленный по результатам компьютерного эксперимента, радиус Дебая и вычисленный радиус обрезания в единицах среднего межчастичного расстояния, длительность расчета, отношение масс ионов и электронов, полное число частиц в расчете.   Хорошее согласие с результатом квазибинарной теории получается при выборе значения верхнего предела обрезания по прицельному параметру равным величине порядка среднего межионного расстояния. Получаемое в результате моделирования значение кулоновского логарифма примерно на 30% меньше общепринятого.

    Литература
   1. Ландау Л.Д.  ЖЭТФ, 7, 203(1937); Phys. Z. der Sow. Union, 10,154(1936)
   2. Власов А.А. ЖЭТФ, 8, 291, (1938); Journ. of  Phys. 9, 26 (1945); Journ. of  Phys. 9, 190 (1945).
   3. Cohen R.S., Spitzer L., Routly P. Phys. Rev.  Vol. 80, No. 2, 230(1950).
   4. Чандрасекар С. Принципы звездной динамики. М.: ИЛ, 1948; Astrophys. J. 97, 255, 263(1943).
   5.  Коган В.И. ДАН СССР, т.135, №6, 1374(1960).
   6. Майоров С.А. //Краткие сообщения по физике ФИАН, №9-10(1997).

О расходимости фазовых траекторий системы кулоновских частиц

С. А. Майоров

Институт Общей физики РАН, г.Москва, Россия

    Возможности компьютерного моделирования из первопринципов ( ab initio ) позволяют получить результаты для систем, состоящих из многих частиц и взаимодействующих по закону Кулона (плазма, звездные скопления)[1]. Обнаруженное замедление рекомбинации в системе из ограниченного числа частиц привело поиску причин такого замедления в общих свойствах гамильтоновых систем (неустойчивость траекторий, перемешивание фазового объёма, необратимость численного решения). Вопросы о хаотичности, фазового перемешивания, энтропии Колмогорова - Синая, устойчивости (регулярности) движения для системы куло-новских частиц мало изучены. Прогресс в изучении динамического хаоса на основе теоремы Колмогорова - Арнольда - Мозера  для кулоновской системы частиц имеет ограниченную применимость из-за неинтегрируемости системы [2,3].
    Важным аспектом моделирования из первопринципов является соответствие результатов моделирования свойствам реальной системы. В применении к задачам моделирования свойств плазмы представляют интерес вопросы использования необратимых по времени разностных схем для решения обратимых по времени динамических уравнений и перенос свойств систем, состоящих из нескольких тысяч частиц на реальные плазменные системы, в которых число частиц  имеет порядок числа Авагадро. Неустойчивость траекторий частиц в плазме по Ляпунову (расходимость первоначально близких траекторий за бесконечный промежуток времени) в работе [4] использовалась для объяснения аномальной задержки рекомбинации в системе классических кулоновских частиц. При этом авторы основываются на вычисленных максимальных собственных числах якобиевой матрицы (показателе Ляпунова) для систем с различным числом частиц. Из выполненных расчетов сделан вывод о стремлении к нулю показателя Ляпунова при увеличении числа частиц в системе.
    В настоящей работе на основе численного моделирование и аналитических оценок исследуется скорость расходимости первоначально близких фазовых траекторий в зависимости от числа частиц в системе, показателя неидеальности плазмы, точности разностной схемы. Показано, что расходимость фазовых траекторий носит экспоненциальный характер. Локальный, усредненный по ансамблю показатель Ляпунова слабо зависит от числа частиц,  а зависимость  от параметра неидеальности плазмы имеет предельное значение при обезразмеривании времени на характерное время  пролета электроном межчастичного расстоянию, а не на ленгмюровский период времени, как полученов работе [5]. Проведено сравнение результатов расчетов с аналитическими оценками, получены различные критерии для условий вычислительного эксперимента. Получено, что для скорости расхождения первоначально близких фазовых траекторий основную роль играют близкие столкновения, при которых электрон отклоняется на угол порядка единицы. В идеальной плазме зависимость от степени неидеальности пропадает, если время измеряется в характерных единицах пролета электроном характерного межчастичного расстояния (а не ленгмюровского периода).

    Литература
   1. Майоров С.А., Ткачев А.Н., Яковленко С.И. УФН, 164, №3, 297 (1994).
   2. Лихтенберг А., Либерман М. Регулярная и стохастичная динамика.М.:Мир, 1984.
   3. Заславский Г.М. и др. Слабый хаос и квазирегулярные структуры. М.:Наука, 1991.
   4. Жидков А.Г., Галеев Р.Х. Физика плазмы. Т.19, №9,1181(1993).
   5. Ткачев А.Н., Яковленко С.И. ДАН СССР, т.290, №1, 106(1997).

 ПЛАЗМЕННАЯ ЛИНЗА ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ 5 МЭВ ПРОТОННОГО ПУЧКА

Онищенко И.Н. (докладчик), Белан В.Н., Бутенко В.И., Егоров А.М., Киселев В.А.,Линник А.Ф., Онищенко И.Н., Прищепов В.П.

ННЦ  Харьковский Физико-Технический Институт, Харьков, Украина

     Представлены исследования плазменной линзы, примененной для фокусировки пучка протонов с энергией 5 Мэв и током 10 мА, инжектируемого из ускорителя «Урал-5»  ННЦ ХФТИ. Плазменная линза создавалась путем инжекции плазменной струи из коаксиальной плазменной пушки в магнитное поле короткой катушки. Параметры плазменного столба следующие:
    плотность плазмы 10¹²-10¹⁵ см^-3, температура електронов 1-3 эВ, скорость потока 10⁷ см/с, длительность 500 мс. Плазма удерживалась стекляной трубой диаметра 10 см и длины 100 см. Величина магнитного поля 500-1000 эрстед. Получена фокусировка протонного пучка, приводящая к уменьшению его диаметра  в 10 раз на расстоянии 30 см. Обсуждаются физические механизмы наблюдаемой фокусировки и возможности ее применения.

      Работа выполнена при поддержке гранта УНТЦ  № 298.

 О ВОЗМОЖНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ БЕТОНА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНОГО ИМПУЛЬСА СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Петров П.В.*, Аржанников А.В., Калинин П.В., Койдан В.С.,  Лазарев Ю.Н.*, Меклер К.И., Петровцев А.В.*

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск
* Всероссийский  научно-исследовательский институт технической физики , Снежинск

    Создание генераторов микросекундных импульсов миллиметрового излучения с энергосодержанием в  сотни джоулей и выше [1] на основе сильноточных РЭП открывает новые возможности в использовании такого излучения для практических приложений. В частности, представляет интерес рассмотреть возможность использования такого излучения для скалывания поверхностного слоя бетона, который насыщен радиоактивным загрязнением. Указанный метод очистки загрязненных поверхностей бетона, если его удастся реализовать, будет выгодно отличаться от других целым рядом достоинств. Исходя из этих предпосылок, нами ведутся исследования с использованием компьютерного моделирования и модельных экспериментов, направленные на оценку перспектив этого метода очистки поверхностей.
    Толщина области локализации энерговклада при облучении миллиметровыми волнами бетона различных марок может иметь разное значение из-за различия их  электрических свойств. С другой стороны, значение толщины можно варьировать в широких пределах изменением этих свойств путем насыщения поверхности бетона водно-солевым раствором. По этой причине в компьютерные расчеты закладывались электрические свойства бетона, которые наиболее приемлемы для достижения минимума энергосодержания в импульсе излучения, обеспечивающем скалывание поверхностного слоя. В результате компьютерного моделирования найдены условия, необходимые для достижения  сдвиговых и откольных разрушений в бетоне на заданной глубине, а также  определен диапазон электродинамических параметров, в пределах которого возникновение разрушений наиболее эффективно.
    На специальном стенде проведены измерения коэффициентов прохождения и отражения 4-х и 8-ми миллиметрового излучения при падении его на образцы из бетона с различной толщиной. На основе этих измерений установлено, что около трех четвертей от энергии, падающей на поверхность исследуемых образцов, поглощается в слое толщиной 10-15мм для l=4мм и 25-30мм для l=8мм. Такая толщина области локализации энерговклада представляется вполне приемлемой для процесса воздействия миллиметрового излучения на поверхность бетона большой толщины,  если ее сопоставить с данными, которые были включены в проводившееся компьютерное моделирование.

    Работа поддержана ISTC в рамках гранта #531.

    1. Agafonov M.A., Arzhannikov A.V., Ginzburg N.S. et al.  Proc. of 11th Intern. Conf. on High-Power Particle Beams, Prague, Czech Republic, 1996, v.1, p.213-216.

 ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ИСТОЧНИКА КОГЕРЕНТНОГО ВУФ ИЗЛУЧЕНИЯ В СИСТЕМЕ ПУЧОК-ПЛАЗМА

Полосаткин С.В., Бурдаков А.В., Князев Б.А., Койдан В.С., Меклер К.И., Мельников П.И., Поступаев В.В., Ровенских А.Ф.

Институт ядерной физики им.Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия

    Плазменные системы часто используются в качестве источников коротковолнового излучения, включая когерентное. Получение генерации в ВУФ диапазоне осложняется необходимостью эффективного подвода энергии к активной среде. В этой работе обсуждается новая схема генерации, в которой средством накачки служит поток быстрых электронов из плазмы, нагреваемой релятивистским электронным пучком. Активная среда может иметь температуру 10-50 эВ и плотность 10¹⁶-10¹⁷ см^-3. В работе рассматриваются перспективы получения инверсии в экспериментах на установке ГОЛ-3-II [1], которая состоит из генератора пучка (~1 MэВ, 8 мкс, 200 кДж), 12-метровой плазменной камеры внутри соленоида с полем 5 Тл (10 Тл в пробках), 15 МДж конденсаторной батареи, систем контроля и диагностики. На торцах установки смонтированы короткие пробкотроны с R~5, в одном из которых предполагается удерживать ВУФ-излучающую плазму.
    В предложенном подходе энергия релятивистского пучка преобразуется в мощный поток быстрых плазменных электронов киловольтного диапазона энергий, поэтому удельный энерговклад в активную среду много выше, чем в обычных схемах с пучковой накачкой. Это позволяет получить более высокие температуру и степень ионизации активной среды, и продвинуться в более короткие длины волн. В качестве кандидатов рассматриваются примесные Li- и Ne-подобные ионы в схемах столкновительной и рекомбинационной накачки, имеющие заметную популяцию в диапазоне температур 20-50 эВ (см. Таблицу).
     Предварительные эксперименты проводились на установке ГОЛ-3-I (см. [2]) в однородном магнитном поле. Производился импульсный напуск 5% N₂ + 95% H₂ смеси так, что длина плотного газового сгустка составляла от 0.5 до 3 м перед инжекцией пучка. В зависимости от условий эксперимента плотность плазмы в центре сгустка была от (5-6)Ч10¹⁴ см^-3 без импульсного напуска до 8Ч10¹⁵ см^-3 с плотным сгустком. Измерена температура 10-50 эВ. Мощность излучения с l < 100 нм превышала 10 кВт/см³, что дает полную излучаемую мощность P > 10 МВт и энергию вспышки Q ~ 100 Дж (при исходном энергосодержании пучка 40 кДж).
    Достигнутые параметры вспышки ограничивались двумя обстоятельствами. Во-первых, энергетики пучка не хватало для нагрева достаточно плотного сгустка многозарядной плазмы до требуемой температуры. Во-вторых, при нагреве плотного сгустка в прямом магнитном поле вложенная энергия передается в продольный разлет с mn_||²/2 >> T. Эксперименты на ГОЛ-3-II, запланированные на начало 1998 г, позволят преодолеть эти ограничения из-за возросшей энергетики пучка и наличия специального пробкотрона с R~5 для экспериментов по генерации ВУФ излучения.
 

Элемент	Mg III	Al IV	Si V	C IV	N V
l, нм	155.1	148.1	87.4	253.0	162.0
G, см-1	4.9Ч10-1	2.3Ч10-1	9.4Ч10-2	5Ч10-3	6.6Ч10-4
P, Вт/см3	1.2Ч105	6.8Ч104	2.2Ч105	1.7Ч102	1.3Ч102

Анализ показывает, что плотное плазменное облако может быть источником ВУФ излучения микросекундной длительности, имеющего мощность в сотни мегаватт. Оценены кандидатные переходы для генерации в ВУФ диапазоне.

    Работа частично поддерживается грантом РФФИ 96-02-19436.

    1. Agafonov M.A,.et al., Plasma Physics and Contr. Fusion, 1996, 38, A93.
    2. Астрелин В.Т., и др., Препринт ИЯФ СО РАН 94-105, Новосибирск, 1994.

12-МЕТРОВЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ СТОЛБ В НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Поступаев В.В., Бурдаков А.В., Койдан В.С., Меклер К.И., Полосаткин С.В., Ровенских А.Ф.

Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия

    В экспериментах по пучковому нагреву плазмы в качестве мишени обычно используется столб низкотемпературной плазмы (см., напр., [1]). На установке ГОЛ-3-II, запущенной в конце 1995 г. [2], 12-метровый плазменный столб создается прямым разрядом внутри металлической камеры, помещенной в соленоид с полем до 5 Тл. Затем в эту плазму инжектируется релятивистский электронный пучок с длительностью ~8 мкс и энергозапасом до 200 кДж.
    Целью работы является получение однородного по длине и сечению плазменного столба с плотностью от 10¹⁴ до 10¹⁶ см^-3 и изучение его параметров. В качестве катода разряда используется графитовый приемник пучка, расположенный в слабом магнитном поле для снижения тепловых нагрузок. На установке ГОЛ-3-II потребовалась значительная переделка существовавшей ранее на ГОЛ-3-I конфигурации [3], создающей разряд. Основные изменения: удалены все разрушаемые электроды из сечения, занимаемого пучком; в начале и конце плазменного столба добавлены участки слабого поля с пробочным отношением ~5; появилась возможность установки осевых диагностик на выходе установки.
    Расположение электродов системы создания предплазмы определяется геометрией силовых линий магнитного поля. Магнитное поле в установке имеет напряженность до 5 Тл в основной части длиной 12 м, 1.2 Тл в торцевых пробкотронах и 10 Тл в пробках, 2.5 Тл на приемнике пучка. Разряд ограничен графитовыми диафрагмами, находящимися под плавающим потенциалом на одной трубке магнитного поля. Высокое напряжение подается на кольцевой электрод, расположенный вблизи приемника пучка. Этот электрод изготовлен из волокнистого графитового материала и служит холодноэмиссионным катодом разряда. Приемник пучка первоначально находится под плавающим потенциалом и имеет по оси отверстие диаметром 1 см, ведущее в камеру торцевых диагностик (имеющую отдельную откачку).
    Разряд зажигается между высоковольтным электродом и тонкой фольгой, расположенной на противоположном торце камеры. Плотность плазмы определяется начальным давлением водорода. Источником энергии служит батарея 18 мкФ, 25 кВ. Помимо диагностик, описанных в [1-3], для измерения свойств плазмы использовались цифровая фотокамера, ВУФ и широкополосный оптический спектрометры.После включения высокого напряжения происходит пробой с волоконного катода на приемник пучка, который приобретает потенциал катода. Плазма пробоя становится эмиттером быстрых электронов с энергией порядка приложенного напряжения. Эти электроны движутся вдоль силовых линий магнитного поля сквозь 12-метровую камеру и создают стартовую ионизацию водорода. В экспериментах зарегистрировано мягкое рентгеновское излучение быстрых электронов. После появления первичной ионизации по плазме начинает течь ток амплитудой до 5 кА, происходит перестройка электрического поля в системе: проводящий плазменный столб служит резистивным делителем напряжения, создающим в камере продольное электрическое поле. Потерь тока на металлическую стенку поперек поля нет. Измерения показали, что плазма имеет хорошую однородность по длине и сечению, а ее параметры воспроизводимы.

   1. Бурдаков A.В., и др., ЖЭТФ, 1996, 109, 2078-2093.
   2. Agafonov M.A., et al., Plasma Phys. and Controlled Fusion, 1996, 38, A93-A103.
   3. Burdakov A.V, et al., Proc. XXI ICPIG, Bochum, 1993, 1, 139-140.

О РАБОТЕ ИСТОЧНИКА ИОНОВ НА ОСНОВЕ АНОМАЛЬНОГО ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ЖИДКОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ АНОДОМ

И.М.Ройфе, Ю.А.Василевская, Е.Г.Янкин

Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова, Санкт-Петербург, Россия

    Приводятся результаты исследования условий генерации ионных пучков, в частности, однократно ионизованных ионов углерода, в аномальном тлеющем разряде.
    Аномальный разряд определяется аномально большим падением анодного потенциала в области острийных эмиттеров анода покрытого жидким диэлектриком.
    При применении в качестве жидкого диэлектрика минеральных масел, в частности, используемых для форвакуумных насосов, генерируются, в основним, пучки однократно ионизованного углерода.
    Приводятся результаты взаимодействия пучка с поверхностью различных типов катода. При этом особое внимание уделено условиям создания алмазоподобных пленок.

    Литература.
   1. Roife I.M. ION SOURCE WITH NON-METALLIC LIQID ANODE. Plasma Devices and Operations, 1992, Vol. 2, pp. 103-110

О ВЛИЯНИИ РАЗРЕЖЕННОЙ ФОНОВОЙ ПЛАЗМЫ НА РАБОТУ СИЛЬНОТОЧНОГО ПЛАЗМЕННОГО СВЧ-УСИЛИТЕЛЯ

М.В.Кузелев*, А.А.Рухадзе,

Московский Государственный университет, Россия.
*Московская Государственная Академия Печати, Россия.

    Показано, что металлический волновод с трубчатой плазмой существенно изменяет свои свойства при добавлении  в него разреженной фоновой плазмы с плотностью на порядок меньшей, чем плотность трубчатой плазмы.
    Появляется низкочастотная ветвь плазменных колебаний. Высокочастотная ветвь кабельной волны при этом практически не меняется. Поэтому релятивистский плазменный пучок (РЭП) может усиливать одновременно обе  ветви колебаний, поскольку коэффициент усиления у них сравнимы.

ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ ПИРСОВСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ И ТЕОРИЯ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ПЛАЗМЕННОГО МОНОТРОНА.

Д.Н.Клочков, М.Ю.Пекар, А.А.Рухадзе*

Тульская Педагогическая Академия, Россия
*Московский Государственный Университет, Россия

     Показано, что излучательная пирсовская неустойчивость соответствует излучению релятивистского электронного пучка (РЭП) в монотроне. Дано обобщение теории неустойчивости на релятивистский случай и показано, что учет релятивизма и эффекта отражения волны на порядок увеличивает эффективность монотрона по сравнению с результатом, полученным без учета отраженной волны.