ЭЛЕКТРОННЫЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПРОБОЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ИОНИЗОВАННОЙ АТМОСФЕРЫ

А.А. Соловьев, В.А. Терехин, В.Т. Тихончук^*

Российский Федеральный Ядерный Центр — ВНИИЭФ, Саров
^*Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Москва

    Разработана модель для описания кинетики электронов в поле электромагнитного импульса (ЭМИ), распространяющегося через атмосферу. которая предварительно ионизована сторонним гамма-источником. Модель состоит в численном решении уравнений Максвелла для электрического и магнитного полей ЭМИ, причем отклик среды определяется самосогласованно из кинетической теории. Кинетическое уравнение Больцмана решается локально для двух групп электронов (медленных и быстрых) с учетом влияния поля ЭМИ, геомагнитного поля и столкновений электронов с нейтральными молекулами. Медленные электроны (с энергиями менее 1 - 10 кэВ) описываются в двучленном приближении в предположении о слабой анизотропии их функции распределения и с учетом производства новых медленных электронов при неупругих столкновениях быстрых электронов с нейтральными молекулами. Функция распределения более быстрых электронов находится с помощью интегрирования по траекториям с учетом внешнего источника ионизации, потерь энергии в приближении непрерывного торможения и многократного малоуглового рассеяния. Для описания последнего процесса используется либо метод Монте-Карло, либо модификация метода макро-частиц.
Модель использована для описания электрического разряда в азоте, содержащем небольшое количество электронов с энергией ~ 1 МэВ. Показано, что часть быстрых электронов уходит в режим убегания и инициирует пробой газа в полях на порядок ниже обычного порога пробоя медленными электронами. Исследовано влияние убегающих электронов на функцию распределения медленных электронов. Обсуждается роль убегающих электронов в прохождении электромагнитных импульсов через атмосферу.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ГЕНЕРАЦИИ НЕЙТРОНОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ В ИНЖЕКТОРНОМ ТРАКТЕ ИК-50 УСТАНОВКИ АМБАЛ-М.

И.И. Морозов, В.Г. Соколов, М.Ю. Степанов

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

    В настоящее время ведется подготовка к использованию интенсивных пучков быстрых атомов дейтерия для нагрева и поддержания плазмы в концевых пробкотронах установки АМБАЛ-М [1].
В данной работе проведены измерения нейтронных потоков, образующихся в реакциях синтеза в результате взаимодействия дейтонов пучка с атомами остаточного газа дейтерия в камере при прохождении ионного пучка через инжекторный тракт. Для регистрации быстрых нейтронов использован водородсодержащий сцинтиллятор из полистирола: регистрация происходит по вторичным заряженным частицам - протонам отдачи, в результате высвечивания в полистироле. Используемая система позволяет измерять потоки нейтронов на детектор [2] в диапазоне от 10³ до 2•10⁵ нейтр./с с временным разрешением  4 мс. Для описываемых экспериментальных условий это соответствует току ионного пучка от 1 до 150 А при концентрации дейтерия в тракте 10¹² см^-3. В проведенных экспериментах наблюдается рост числа нейтронов к концу импульса пучка, что обусловлено нарастанием давления дейтерия в камере. Измеренные величины нейтронных потоков находятся в хорошем соответствии с расчетами.
    Предложенная методика регистрации нейтронов успешно используется в качестве мониторинга мощного дейтериевого пучка в инжекторном тракте. Возможно применение используемого метода в экспериментах по накоплению в пробкотроне установки АМБАЛ-М высокотемпературной дейтериевой плазмы.

    Литература

1. T.D. Akhmetov, V.S. Belkin, E.D. Bender, et al. “AMBAL-M STATUS”, принято к опубликованию в журнале "Fusion technology" (1998).
2. И.И. Морозов, В.Г. Соколов, М.Ю. Степанов. Препринт ИЯФ СО РАН  96-55. Новосибирск, 1996.

УДАРНЫЕ ВОЛНЫ В ПЛАЗМЕ В ПРИСУТСТВИИ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ

Попель С.И, Цытович В.Н.^*

Институт динамики геосфер РАН, Москва, Россия
^*Институт общей физики РАН, Москва, Россия

    Исследуются ударные волны в пылевой плазме. Пылевая плазма рассматривается как открытая, сильно диссипативная система, в которой имеется тенденция к самоорганизации. Процесс зарядки частиц пыли приводит к возникновению аномальной диссипации, что, в свою очередь, приводит к возможности существования нового вида ударных волн, отличающихся как от обычных столкновительных, так и бесстолкновительных ударных волн. Влияние пыли на распространение ударных волн является существенным при описании таких явлений как звездообразование, взрывы сверхновых, ускорение частиц в космической плазме, формирование пылевых кристаллов и др. Найдены точные решения в виде стационарных ударных волн для временных масштабов, соответствующих распространению ионно-звуковых волн. Получены обобщенные соотношения Гюгонио для ударных волн в пылевой плазме. Показано, что ширина фронта ударных волн в пылевой плазме определяется средней длиной свободного пробега электронов и ионов в их столкновениях с пылевыми частицами. Обсуждается возможность экспериментального исследования ударных волн, диссипация в которых обусловлена процессом зарядки пылевых частиц, посредством активных геофизических экспериментов, которые подразумевают инжекцию газообразного вещества в плазму магнитосферы Земли.

ГЕНЕРАЦИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ И ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМОФОКУСНОМ РАЗРЯДЕ

М.А. Каракин, В.И. Крауз, В.В. Мялтон, Н.В. Филиппов, Т.И. Филиппова
ИЯС РНЦ "Курчатовский Институт", Москва, Россия

    Целью настоящей работы являлось получение новых экспериментальных данных о влиянии приэлектродных процессов на развитие ПФ-разряда.
    Эксперименты выполнены на двух однотипных установках (ПФ-3, W_max=2.8 МДж, и ПФЕ, W_max=180 кДж). Для исследования динамики плазменных потоков, генерируемых при сжатии токово-плазменной оболочки (ТПО) к оси системы, использовались скоростное фотографирование ТПО на стадии ее схождения к оси, щелевая развертка изображения плазменного потока на значительном удалении (L) от области плотного пинча с ориентацией щели как вдоль оси системы, так и параллельно плоскости анода, а также детекторы светового излучения (световые зонды). Использование двух световых зондов, разнесенных на расстояние Dl<<L позволяет определить "мгновенную" скорость в точке наблюдения. Обычно для этого использовалось измерение разности в появлении сигналов двух световых зондов, разнесенных на расстояние Dl=3 см при L=30-40 см.
    Сравнительный анализ результатов исследований параметров плазменного потока, выполненных на двух установках, показал, что, несмотря на значительную разницу в уровне используемой в экспериментах энергетики (500 кДж и 50 кДж) и на различие по массе используемых газов (Аг, Ne, D₂), средняя скорость плазменного потока на пролетной базе 30-40 см в оптимальных разрядах достигает приблизительно одинаковой величины (~ 10⁷ см/с). Данное обстоятельство является подтверждением гидродинамического механизма генерации потока в процессе сжатия ТПО к оси. Известно, что отличительной особенностью ПФ-систем является нецилиндричность формы ТПО. Это приводит к кумулятивному эффекту выброса плазмы из области сжатия, при котором радиальная скорость ТПО трансформируется в продольную скорость плазменного потока. Таким образом параметры плазменного потока должны существенным образом зависеть от формы ( угла наклона) сходящейся ТПО, которой, в свою очередь, можно эффективно управлять изменяя профиль центральной анодной вставки и сорт (массовый состав) рабочего газа.
    Используемые в данной работе экспериментальные установки были оптимизированы на различные режимы. Для установки ПФ-3 (коническая анодная вставка) характерна высокая повторяемость результатов, основной отличительной особенностью которых является близость средней скорости потока на пролетной базе к скорости радиального сжатия ТПО и к мгновенной скорости в точке наблюдения - (0,5-1,5)Ч10⁷ см/с. В то же время, для генерации ионных и электронных пучков предпочтительнее оказываются именно системы с плоским анодом. При этом значительное влияние на параметры пучков оказывают его теплофизические, абсорбционные и другие свойства. Проведенные на установке ПФЕ работы по оптимизации параметров пучков показали, что лучшие результаты достигаются на плоской танталовой вставке. Динамика приэлектродных процессов в этом случае приводит к более эффективной контракции разрядного тока на оси камеры.
    Работа выполнена при поддержке Гранта РФФИ № 97-02-17945 и Гранта INTAS № 96-0197.

ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПИРСА В ПЛАЗМЕННОМ РЕЗОНАТОРЕ

Д.Н. Клочков, М.Ю. Пекар, А.А. Рухадзе^*

ТФО, Тула, Россия
^*ИОФАН, Москва, Россия

    Показано, что в плазменно-пучковой системе возможно развитие нерезонансной неустойчивости, приводящей к генерации как низкочастотной плазменной, так и высокочастотной электромагнитной волн в широком интервале частот. Развитие неустойчивости на плазменной ветви не зависит от условий черенковского резонанса, и имеет место, даже если w_р < k_^ug.

ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПИРСА

Д.Н. Клочков, М.Ю. Пекар, А.А. Рухадзе^*

Тульское физическое общество, Тула, Россия
^*ИОФАН, Москва, Россия

    Проведено исследование нелинейной динамики излучательной неустойчивости Пирса прямолинейного РЭП в гладком цилиндрическом резонаторе. Выделено два механизма насыщения неустойчивости. Первый механизм реализуется в коротких системах (L/R < 12) при одномодовых режимах, когда возникает четырехволновое взаимодействие

СИЛЬНОТОЧНЫЕ ЭМИТТЕРЫ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЯЕМОЙ БЕСПОРОГОВОЙ ВЗРЫВНОЙ ЭМИССИИ

А.Е. Дубинов, С.А. Садовой, В.Д. Селемир

Российский Федеральный Ядерный Центр - ВНИИ экспериментальной физики, Саров, Россия

    Представлена схема и описаны режимы работы компактного сильноточного эмиттера пучков заряженных частиц на основе беспороговой управляемой взрывной эмиссии. Электроны и положительно заряженные ионы вытягиваются электрическим полем из приповерхностной плазмы, образованной скользящим электрическим разрядом вдоль диэлектрика с высоким показателем диэлектрической проницаемости. Разряд при этом инициируется электрическим взрывом кромки электрода, примыкающего к диэлектрику. При величине вытягивающего напряжения ± 2 кВ плотность эмиссионного тока электронов достигла 725 А/см², а положительно заряженных ионов 325 А/см².

СПОНТАННОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В СВЧ ПРИБОРАХ С ВИРТУАЛЬНЫМ КАТОДОМ

А.Е. Дубинов, В.Д. Селемир

Российский Федеральный Ядерный Центр -ВНИИ экспериментальной физики, Саров, Россия

На основе построенной одномерной аналитической модели излучения электронного пучка с виртуальным катодом показано, что в редитроне имеет место спонтанное излучение, а в виркаторе и отражательном триоде -вынужденное. Однако в последних на определенной стадии происходит срыв излучательной неустойчивости вследствие развития турбулентности в электронном потоке. В связи с этим высказана идея о том, что этот срыв можно устранить специальным профилированием фронта высоковольтного импульса питания диода СВЧ генератора.
При помощи электромагнитного PIC-кода проведено компьютерное исследование предложенного авторами виркатора с внутренней обратной ТЕМ-связью.  Показана возможность эффективного управления выходной мощностью при помощи изменения длины обратной связи.

ХОЛЛОВСКИЙ СЛОЙ В ПЛАЗМЕ ВАКУУМНОЙ ДУГИ В ПОПЕРЕЧНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ.

Е.Д.Бендер, А.С.Кривенко

Институт Ядерной Физики СО РАН, Новосибирск, Россия

    Изучение свойств межэлектродной плазмы вакуумной дуги в поперечном магнитном поле представляет интерес для решения проблемы униполярных дуг в термоядерных установках, для развивающихся технологий и для понимания физики разряда. В работе [1] для объяснения переноса тока в несколько килоампер в межэлектродном промежутке вакуумной дуги в присутствии поперечного магнитного поля предложена модель холловского слоя, образованного на ретроградной стороне плазмы отражающимися быстрыми ионами [2]. В модели предполагается, что в скрещенных полях, электрическом поле слоя и внешнем магнитном поле электроны дрейфуют к аноду в бесстолкновительной области межэлекгродного промежутка.
    Нами предположено существование такого слоя для дуги с небольшим током. При токе дуги 200 А проведена проверка гипотезы холловского слоя. Для этого создана экспериментальная установка с цилиндрическими соосными катодом и анодом, и направленным вдоль оси однородным магнитным полем. Локализованная по оси ферромагнетиками дуга равномерно вращается. Величина магнитного поля ферромагнетика в межэлектродном промежутке мала по сравнению с величиной однородного поля. Диаметр области локализации катодных пятен не более 3 мм. Положение катодных пятен регистрируется датчиками.
    Выполнены эксперименты по измерению потов ионов в плазме межэлектродного промежутка экспериментально разработанным поворачивающимся двойным экранированным зондом. В поперечном магнитном поле обнаружены потоки ионов, направленные не из катодного пятна, вероятно, отраженные от холловского слоя. Начаты эксперименты с поворачивающимся двойным ленгмюровским зондом и гребенкой двойных ленгмюровских зондов. Распределение потенциала и плотности плазмы на переднем фронте (ретроградной границе) дуги в поперечном магнитном поле позволит определить напряжение на холловском слое, его толщину и форму.

    Литература.

1. Emtage P.R., Kimblin C.W., Gorman J.G. Interaction Betwin Vacuum Arc and Transwerse Magnetic Fields with Application to current Limitation. IEEE Trans. on Plasma Sci., 1980, Vol. PS-8, N. 4.
2. Вакуумные дуги: Пер, с английского /Под ред. Дж. Лафферти/. М.:Мир.1982.

Граничные условия излучения в нестационарных задачах релятивистской сильноточной СВЧ -электроники.

Д.Н. Клочков, М.Ю. Пекар, ^*А.А. Рухадзе

ТФО, Тула, Россия
^*ИОФАН. Москва, Россия

    Одной   из   основных   трудностей,   возникающих   в высокочастотной электронике при расчете СВЧ-усилителей и генераторов, основанных на излучении сильноточных релятивистских электронных пучков, состоит в правильной постановке условий излучения.  Предлагается  метод  постановки  нестационарных граничных условий излучения в задачах релятивистской СВЧ-электроники, как вакуумной, так и плазменной, для аксиально-симметричного случая. Данный подход позволяет осуществлять адекватное   численное   моделирование   экспериментов   по релятивистскому    черенковскому    плазменному    генератору, традиционно проводимых в ИОФАНе уже в течении последних двух десятилетий.

О СТАТИСТИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ ОГРАНИЧЕННОГО СЛАБОИОНИЗОВАННОГО ГАЗА С ПРИМЕСЯМИ

С.В. Темко, К.В. Темко, С.К. Кузьмин

 Академия коммерции и управления, 121099 Москва, Россия.

    Для изучения ограниченного слабоионизированного газа с примесями решаем самосогласованную проблему, Используем статистическую термодинамику пространственных кластеров, которая ранее была предложена авторами. Для учета нелинейных эффектов решаем систему уравнений движения отдельной частицы в ионизированном облаке. Ионизированное облако образуется под действием внешних, внутренних и поверхностных сил, которые между собой тесно связаны. Результатом совместного действия указанных сил является геометрическая форма и размеры облака, которые могут изменяться. Учитываем только их малые возмущения. Примеси - это крупные частицы, которые образуются под действием прилипания и коагуляции. Взаимодействие частиц между собой и между частицами и поверхностью облака описываем соответствующими потенциальными функциями, которые являются математическими моделями реальных взаимодействий. Выбор потенциальных функций, геометрической формы и размеров облака осуществляем с помощью методов оптимального планирования эксперимента, максимального правдоподобия, направленного случайного поиска и вычислительного эксперимента. Программное обеспечение вычислительного эксперимента было разработано С.К. Кузьминым. Функцией правдоподобия является свободная энергия облака. Мы предполагаем, что ионизированное облако находится в состоянии квазистатического равновесия. Это не ограничивает рассмотрение проблемы, так как быстро протекающие во времени процессы имеют малые импульсы и должен пройти достаточно большой промежуток времени, когда они смогут вызвать достаточно большие изменения состояния облака. Состояние облака описываем вектор-плотностью распределения частиц. Термин "распределение" понимаем в смысле Соболева-Шварца. В каждый момент времени из условий квазистатического равновесия мы получаем систему интегральных уравнений равновесия, которые решаем совместно с условиями нормировки. Ядрами интегральных уравнений равновесия являются выбранные потенциальные функции. Находим вектор-плотность, которая удовлетворяет системе интегральных уравнений равновесия, условию нормировки и порождает макроскопический потенциал, непрерывный во всем пространстве, включая границу раздела сред. Макроскопический потенциал обладает асимптотическим поведением, соответствующим выбранным потенциальным функциям. Впервые интегральное уравнение равновесия было получено одним яз нас. Для решения систему интегральных уравнений равновесия сводим к системе уравнений типа Прандтля. Последнюю решаем с помощью разложения в ряд по полиномам Чебышева. Коэффициенты этого ряда удовлетворяют бесконечной системе линейных алгебраических уравнений, которую решаем методом редукции. С помощью метода случайных блужданий на множестве найденных вектор-плотностей строим функция распределения случайной вектор-плотности. Моменты случайной вектор-плотности являются соответствующими функциями распределения частиц облака ионизированного газа с примесями. Мы получаем выражение для свободной энергии облака и находим условный минимум свободной энергии облака при ограничениях, которые вводим из физических и плазмохимических соображений. С помощью критерия устойчивости Ляпунова находим достаточную оценку времени жизни ионизированного облака, находящегося под действием малых возмущений его состояния. Все вычисления проводим по прикладным программам авторов на языке Паскаль.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИКАТОДНОЙ ОБЛАСТИ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ

Архипенко В. И., Згировский С.М., Симончик Л.В., Суходолов Д. В.

Институт молекулярной и атомной физики НАН Беларуси, Минск, Беларусь

    Наиболее важной и определяющей существование любого электрического разряда в газе является катодная область, основной функцией которой является генерация заряженных частиц и обеспечение токопереноса при переходе плазма-поверхность катода. В тлеющем разряде при атмосферном давлении физические процессы, происходящие в прикатодном слое, намного сложнее, чем в тлеющем разряде низкого давления, а характерные особенности катодной области - малые пространственные размеры слоев ( тысячные доли сантиметра) и высокие градиенты температур, концентраций частиц, электрических полей - приводят к существенному отклонению состояния плазмы от равновесного. В работе приводятся результаты экспериментальных исследований катодной области плазменного источника Киселевского - тлеющего разряда при атмосферном давлении в гелии. Эксперименты выполнялись при разрядном токе 1А и напряжении на электродах 250 - 280 В.
    Измерено пространственное распределение газовой температуры в разрядном промежутке ( T_g ~ 500 °С ) и температура катода. По пространственным распределениям интенсивностей линий гелия и водорода определена структура и характерные размеры области катодного падения потенциала ( < 100 мкм). Используя штарковское расщепление линий водорода и гелия, измерено распределение напряженности как постоянной, так и переменной составляющих электрического поля в прикатодной области ПИК. Максимальная величина напряженности электрического поля возле поверхности катода составляет ~60 кВ/см. По уширению линии водорода получено пространственное распределение концентрации электронов в области отрицательного свечения ( n_e < 10¹⁵ cm^-3). По поглощению излучения определена область максимальной концентрации метастабильных атомов гелия в разряде. Используя полученные экспериментальные данные для катодной области ПИК произведена оценка плотности тока, скорости ионизации и др. Обсуждаются возможные механизмы обеспечения самоподдержания и нормальной плотности тока разряда.
    Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ФФИ РБ (проект Ф96-086).