ОБЗОР ПЛАЗМАГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В РОССИИ, ВЫВОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИЛОЖЕНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ В АЭРОДИНАМИКЕ

И.И. Есаков, Л.П. Грачев, К.В. Ходатаев

Московский Радиотехнический институт РАН, Москва, Россия

    Проблема влияния разряда на условия полета сверхзвукового аппарата разрабатывается в России в течение сравнительно долгого времени. С самого начала предполагалось, что влияние на поток должно быть дистанционным. Понятно, что эффективное влияние может быть оказано, если энергия вводится в поток в оптимальную область около летящего тела. Дистанционный вклад энергии в поток может быть осуществлен с помощью пучка излучения (в частности, электромагнитного). Главную трудность представляет вопрос, как транспортируемый пучок излучения найдет то место, где необходимо вложить дополнительную энергию. Ясно, что среда распространения (в нашем случае, это воздух) должна быть прозрачна для излучения и только нелинейные процессы способны создать необходимое поглощение в требуемом месте. Эту роль может выполнить электрический разряд, если излучение сфокусировано в нужном месте и плотность потока энергии в фокусе достаточна для пробоя. Сформулированные требованиям удовлетворяют микроволновые и лазерные источники. Предпочтение было отдано микроволновому (MW) излучению. Другие типы разрядов использовались, в основном, для моделирования.
    Для изучения влияния разрядов на сверхзвуковую аэродинамику в Московском Радиотехническом институте РАН (МРТИ) и других институтах был создан ряд установок. Использовались типичные экспериментальные схемы: исследование плазмы разряда слабой и сильной звуковой ударной волной, включая эксперименты на ударных трубах, полет тела через плазменную область на баллистическом стенде, обтекание тела в аэродинамических трубах, обеспеченных секцией с газовым разрядом, и т.д. Для создания разряда использовались постоянноточные источники, высокочастотные и микроволновые генераторы.
    Опыт более чем 20 лет изучения влияния различных видов газовых разрядов позволяет констатировать, что [1]

• Электрический разряд может существенно влиять на характеристики сверхзвукового потока и сверхзвуковое обтекание тела.
• Наибольшие возможности для различных применений в аэродинамике предоставляет MW разряд, поскольку позволяет вкладывать дополнительную энергию в поток не только около поверхности тела, но и в любой области вокруг тела без контакта с ним и, что важно, при промежуточном и высоком давлении.
• MW разряд создает искровые нити с высокой газовой температурой при промежуточном и высоком газовом давлении, вполне достаточной для воспламенения топливной смеси, так что MW разряд может быть использован для контроля фронта горения в реактивном двигателе. Эта возможность наиболее реализуема.
• Распространение ударной волны через сеть горячих нитей MW разряда сопровождается сильным ее поглощением. Этот эффект может быть использован для подавления головной ударной волны или сильного ее ослабления на входе реактивного двигателя.

1. I.I. Esakov, L.P. Grachev, K.V. Khodataev. Proc. supplement of 3-rd Weakly Ionized Gases Workshop. Waterside Marriott Hotel, Norfolk, Virginia, USA, 1-5 November, 1999.

ПОЛЕВОЕ ИСПАРЕНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОМ ЛЕГИРОВАНИИ

Ю.К. Бобров, А.В. Сорокин

Научно-технический центр "ГВЦ Энергетики" РАО "ЕЭС России", г.Москва, Россия

    Сильные электрические поля всегда присутствуют в контактных слоях раздела сред при наличии в них разностей потенциалов, задаваемых внешними источниками или появляющихся вследствие естественных процессов. Вопрос сводится к необходимости общей оценки влияния этих полей на перенос вещества (ионов) через границу раздела, в том числе, в его наиболее явной взрывной форме при полевом испарении металла [1] или при электроискровом легировании [2].
    Но и тогда, когда напряженность поля меньше порогового значения, необходимого для испарения, диффузионный перенос ионов металла в пограничную среду может существенно усиливаться и носить полярный характер благодаря наличию электрического поля в слое. В этом прикладном значении, основной задаче о влиянии электрического поля на электронное состояние поверхности металла на границе с вакуумом посвящены многие работы [3-5].
    На основе ранее полученных результатов [5] в данной работе проводится анализ возможных применений теории сильных электрических полей в контактных слоях при интерпретации процессов электроискрового легирования металлов, а также различных природных явлений и технологических процессов (природа трения, электризация трением, металлодиффузия, контактные явления в электрических машинах и аппаратах и др.).

Литература.

1. Мюллер Э., Цонг Т. Полевая ионная микроскопия, полевая ионизация и полевое испарение. М.: Наука, 1980. 224 с.
2. Алексанян В.Д., Бобров Ю.К., Верхотуров А.Д. и др., Физика и химия обработки материалов, 1984, ╧2, с.41-45
3. Партенский М.Б., УФН, 1979, т.128, с.69-106.
4. Ухов, В.Ф., Кобелева Р.М., Дедков Г.В., Темроков А.И. Электронно-статистическая теория металлов и ионных кристаллов. М.: Наука, 1982. 160 с.
5. Бобров Ю.К., Сорокин А.В. В кн.: Физико-технические проблемы передачи электрической энергии, под. ред. А.Ф.Дьякова, вып.1, с.254-315. М.: Изд-во МЭИ, 1998.

ДИАГНОСТИКА СКОРОСТНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ СТРУЙ И ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ В СВЕРХЗВУКОВЫХ ПОТОКАХ ВОЗДУХА

А.П. Ершов, Н.В. Арделян, И.Б. Тимофеев, В.М. Шибков, С.Н. Чувашев

МГУ им.М.В. Ломоносова

    Сильноточные импульсно-периодические генераторы плазмы весьма перспективны для решения проблемы обьемного поджига топливной смеси сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя, получения малых времен задержки воспламенения, а также значительного ресурса их работы. Очевидно, что оптимальное решение проблемы поджига невозможно без разработки методов диагностики многокомпонентной плазмы, движущейся со сверхзвуковыми скоростями.
    В докладе рассматривается применение комплекса диагностических средств - зондовой, спектроскопических и микроволновой методик для измерения параметров плазмы двух типов:

• высокоскоростных плазменных струй, генерируемых импульсными плазматронами
• плазмы импульсно-периодических разрядов (ИПР) в сверхзвуковых потоках воздуха.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИССОЦИАТИВНОЙ НЕРАВНОВЕСНОСТИ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЫ В МОЛЕКУЛЯРНОМ ГАЗЕ

В.Л. Бычков, ^*М.Н. Васильев

МГУ, Москва
^*МФТИ, Долгопрудный М/о, Россия

    Электронно-пучковая плазма в молекулярных газах при давлении газа Р> 2 Торр, плотности тока стационарного пучка 0.1-10 A/cm² и энергии быстрых электронов Е10 кэв представляет собой сильнонеравновесную систему по отношению к ионизации и диссоциации, поскольку число атомов и ионов в такой плазме значительно превышает их равновесное значение при типичных значениях температуры в плазме, а доли энергии пучка идущие на ионизацию или диссоциацию достигают 50%.
    Процессы ионизации и диссоциации молекул быстрыми электронами с последующей диссоциативной рекомбинацией молекулярных ионов и рекомбинацией атомов приводят к установлению квазистационарного состояния, при котором число атомов определяется на основе соотношения , где  скорость ионизации и диссоциации ( i, d) , молекул быстрыми электронами, j_bплотность тока электронного пучка, N_m концентрация молекул газа, x расстояние от инжектора. K_r = K_r(T) - константа скорости рекомбинации атомов в молекулу резко падающая с ростом температуры функция.
    При воздействии электронного пучка на поверхность материала, помещенного в плазму, одновременно происходит нагрев поверхности быстрыми электронами пучка и накопление атомов (а в молекулярных газах из сложных молекул √ активных радикалов) вблизи поверхности. Это, в свою очередь, приводит к изменению свойств поверхности при взаимодействии материала поверхности с активными атомами или радикалами из плазмы.
    Изложенный механизм реализовывается в экспериментах по созданию покрытий из TiN на поверхности образцов из титана, где наилучшие результаты реализовывались при температуре поверхности образцов Т╩1000 К. В случае образцов в виде титановых трубок также образовывалось покрытие из TiN на внутренней стороне трубки при прохождении пучка коаксиально оси трубки.
    Образование водо-растворимого слоя на поверхности образцов из целлюлозы имеет место в кислородной электронно-пучковой плазме и электронно-пучковой плазме паров воды при температуре поверхности Т< 600К, так как при большей температуре наблюдается разрушение материала. Воздействие на органические материалы чувствительные к температуре требует применения дополнительных мер по управлению потоком атомов при одновременном нагреве поверхности образцов до определенной температуры.
    Это может быть реализовано путем пропускания электронного пучка через трубку, через которую в объем подается газ. В этом случае концентрация атомов у поверхности образца можно оценить, как, где - концентрация атомов при температуре на выходе из трубки, L - расстояние между трубкой и образцом, V - скорость потока газа из трубки, T_s - температура поверхности образца. Варьируя отношение L/ V можно добиться оптимальных условий для обрабатываемых органических образцов.
    Данный способ был успешно использован нами при обработке образцов из льняных тканей с целью улучшения их гидрофильных свойств. При этом использование пучка в потоке газа приводил к 4-х кратному улучшению гидрофильности образцов по сравнению с обработкой образцов в пучковой плазме без потока.
    Представленные примеры показывают на возможность практического применения диссоциативной неравновесности электронно-пучковой плазмы в молекулярных газах.

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ СМЕСИ В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ

Черников А.В., Черников В.А., Шибков В.М., Шибкова Л.В.

Физический факультет МГУ им.М.В.Ломоносова, Москва

    В последнее время в научных исследованиях и для решения многих практических задач в газоразрядных устройствах все чаще и чаще применяются бинарные и многокомпонентные смеси газов и паров веществ. Подбором состава смесей можно достигать такие результаты, которые невозможно получить при использовании однородного состава газа. При прохождении электрического тока в смеси газов происходят сложные взаимодействия свободных носителей зарядов как между собой, так и с нейтральными атомами газов. В результате этих взаимодействий атомы могут приобрести дополнительную энергию и импульс. Это приводит к изменению соотношения концентрации атомов смеси газов вдоль оси и в радиальном направлении. К пространственному перераспределению компонентов бинарной смеси газов могут приводить следующие механизмы: передача кинетической энергии от ионов атомам газа; "ионный ветер"; термодиффузия; катафорез и некоторые другие. На основании проведенных исследований можно считать установленными следующие характерные свойства процесса перераспределения компонентов в газоразрядной плазме в бинарных и тройных смесях. Аксиальное и радиальное перераспределение компонентов при прохождении электрического тока через смесь газов происходят одновременно, взаимно обуславливая друг друга. С ростом разрядного тока и парциального давления основного газа скорость и степень перераспределения увеличиваются. Повышение парциального давления примесного газа приводит к снижению степени перераспределения. Степень перераспределения компонентов смеси при прочих неизменных условиях зависит обратно от радиуса трубки и температуры газа. Чем больше разница потенциалов ионизации и масс компонентов смеси, тем больше радиальное и продольное разделение. Изменением индукции магнитного поля можно управлять скоростью и степенью перераспределения. Меняя процентное содержание атомов третьего компонента в тройной смеси, можно управлять скоростью и степенью перераспределения частиц двух остальных компонентов. Перераспределение компонентов смесей в газовом разряде может быть использовано для тонкой очистки газов от примесей. Рассматриваемый метод является экологически чистым, относительно дешевым и простым способом очистки газов от примесей.

НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД ЩЕЛЕВОЙ ФОРМЫ КАК АКТИВНАЯ СРЕДА ЛАЗЕРА НА АТОМАХ КСЕНОНА

А.А. Кузнецов, М.З. Новгородов, В.Н. Очкин, В.М. Тихонов, ^*Ф.Я. Блок, ^*В.Я. Виттеман

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия.
^*Университет Твенте, Энсхеде, Нидерланды.

    В последние годы можно отметить возрождение интереса к Хе-лазеру, излучающему в области 2-3 мкм, связанное с увеличением выходной мощности на 3 порядка при переходе от возбуждения продольным разрядом постоянного тока низкого давления к возбуждению поперечным высокочастотным разрядом при средних давлениях (~10² Торр) [1,2]. Наилучшие результаты получены в системах с планарной геометрией активной среды.
    В данной работе впервые получена импульсно-периодическая лазерная генерация на атомах Хе, возбуждаемых несамостоятельным разрядом постоянного тока с предыонизацией высоковольтными импульсами. Измерены энергетические, временные и спектральные характеристики выходного излучения при различных электрических параметрах разряда, составе и давлении рабочей смеси.
    Газоразрядная камера образована двумя пластинами из алюмооксидной керамики и медными боковыми стенками, являющимися одновременно электродами. Электроды охлаждаются проточной водой, размеры активной среды 190╢20╢2 мм³. Глухое вогнутое зеркало с радиусом кривизны 4 м и плоское частично пропускающее зеркало, расположенны на расстоянии около 10 мм от торцов щелевого канала.
    Однородный несамостоятельный разряд в планарной разрядной камере поддерживался короткими (~500 нсек) высоковольтными (~10 кВ) импульсами предыонизации. Частота повторения импульсов изменялась в диапазоне 10-20 кГц.
    Мощность, вкладываемая в разряд от импульсного генератора, составляла ~ 50 Вт. Энерговклад от источника постоянного напряжения изменялся от 0 до 80 Вт, его максимальная величина ограничена переходом разряда в дуговую форму.
    При использовании смеси Ar:He:Xe=50:50:1 и давлении около 200 Торр, средняя мощность генерации превышает 100 мВт, пиковая ~ 5 Вт. Это сопоставимо с результатами [3], где при ВЧ-накачке активной среды с аналогичными размерами и таким же энерговкладом (130 Вт) получено ~ 200 мВт в непрерывном режиме.
    Практически вся энергия генерации сосредоточена в двух лазерных линиях - 2,03 мкм и 2,65 мкм. Доля третьей присутствующей в выходном спектре линии 1,73 мкм мала. Установлено, что изменяя давление газа и энерговклад от разряда постоянного тока можно управлять относительной интенсивностью лазерных переходов. Кроме того, установлено, что уменьшение содержания аргона в газовой смеси приводит к перераспределению энергии между линиями 2,65 мкм и 2,03 мкм в пользу последней. Так, например, в смеси He:Xe=100:1 при такой же выходной мощности (~ 100 мВт) более 90 % энергии излучения заключено в линии с длиной волны 2,03 мкм.
    При изменении частоты следования импульсов предыонизации в диапазоне 10-20 Кгц средняя мощность лазерной генерации меняется прямо пропорционально частоте. По нашим оценкам дальнейшее увеличение частоты позволит повысить выходную мощность в 3-10 раз.

Литература

1. Tskhai S.N., Udalov Y.B., Peters P.J.M. e. a., Appl. Phys., 1996, B 62, 11.
2. Vitruk P.P., Morley A.J., Baker H.J., Hall D.R., Appl. Phys. Lett., 1995 67, 1366.
3. Tskhai S.N., Udalov Y.B., Peters P.J.M. e. a., Appl. Phys. Lett., 1995 66, 801.

ФОРМИРОВАНИЕ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ СТРУКТУР ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ МИШЕНЬ

М.А. Яковлев

МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва, Россия

    В связи с развитием сверхбыстрых лазерных технологий, сопровождающихся экстремальнобыстрым вводом энергии в вещество (пико- и субпикосекундный масштаб времени), всё большее внимание привлекает проблема взаимодействия ултракоротких мощных лазерных импульсов с различными видами конденсированного вещества.
    При облучении вещества пикосекундными и более короткими импульсами (t_p10^-11 c) взаимодействие носит ярко выраженный неравновесный характер. В частности, при облучении металлической мишени мощными пикосекундными импульсами, поскольку в этом случае характерные значения времени электронно-решёточной релаксации t_ер~10^-10 c, а электрон-электронной релаксации t_ее~10^-15 с, то за время импульса решётка практически не нагревается, в тоже время электронная температура отслеживает временное изменение импульса облучения [1].
    Численное моделирование процесса ионизации приповерхностного плотного газа было выполнено в работе [2]. Было показано, что определяющую роль в процессе пробоя плотного приповерхностного газа играют электроны пограничного электронного слоя, а так же были определены пороговые значения давления приповерхностного газа p_a и интенсивности лазерного излучения I_em, при которых происходит сверхбыстрая ионизация газа (образование пикосекундной лазерной плазмы). В частности в случае аргона p_a ~100 атм и I_em~10¹⁶ Вт/м² .
    В представленном докладе определяются условия, при которых возникающая приповерхностная низкотемпературная лазерная плазма имеет пространственно- периодическую структуру в направлении перпендикулярном поверхности мишени. Кроме того анализируется прикладное значение полученных результатов, в частности возможности защиты периодических объектов от импульсного электромагнитного излучения направленного вдоль поверхности металлической мишени. Результаты численного расчета температуры и концентрации плазмы в момент полной экранировки мишени представлены на рисунке

Литература

1. Анисимов С.И.,Бонч-Бруевич А.М.,Ельяшевич М.А. и др.//ЖТФ.-1966.-т.36.-С.1273.
2. Ивлев А. В., ЯковлевМ. А., Борденюк А. Н. // ЖТФ-1998.No.8. С.42.
3. Ивлев А.В., Павлов К.Б., ЯковлевМ. А.. // ЖТФ-1994.No.9. С.50.

СИНТЕЗ УЛЬТРАТОНКИХ ПОРОШКОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА ПРОВОЛОЧЕК

В.В. Валевич, В.С. Седой, Л.И. Чемезова

Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, Россия

    Метод электрического взрыва проволочек представляет интерес с точки зрения технологии получения порошков на основе данного металла с заданной дисперсностью при данной производительности.
    Важным фактором при получении порошков является тепловая энергия, переданная веществу. В зависимости от плотности энергии состояние продуктов взрыва может варьироваться от жидкого до плазменного, и соответствующим образом будет изменяться механизм образования частиц, их размер и свойства. Однородность распределения плотности энергии по нагреваемому образцу в значительной степени определяет морфологию порошка, распределение его по размерам. Взрыв при однородном нагреве создает предпосылки для формирования монодисперсных порошков.
    Однородный нагрев при взрыве характеризуется следующими условиями: введенная в вещество энергия превышает теплоту его испарения, время нагрева меньше времени действия капиллярных сил и меньше времени развития магнитогидродинамических неустойчивостей, но больше времени скинирования тока. Из сопоставления характерных времен развития данных процессов со временем нагрева получены соответствующие критерии подобия и формализованы условия однородного нагрева для ряда металлов (Al, Cu, Fe, In, W, Ti, Pt, Ag и др.). Значимыми факторами являются также плотность тока и диаметр проволочки, от которых зависят времена развития неустойчивостей и скинирования тока и которые следует контролировать наряду с плотностью введенной энергии.
    Увеличение плотности введенной энергии увеличивает внутреннюю энергию вещества, растут скорость его расширения и число центров конденсации √ ионов. В результате формируются частицы наноразмерного диапазона. Т.к. взрыв, разлет и конденсация вещества происходят в окружающей среде (как правило в газе), то характеристики окружающей среды (электрическая прочность, массовая плотность, химическая активность) дополняют условия получения порошков.

УСЛОВИЯ ПОДАВЛЕНИЯ ВСТРЕЧНОЙ ВОЛНЫ В МЦР С КОНИЧЕСКИМ ВОЛНОВОДОМ

А.Ф. Александров, В.А. Кубарев, А.В. Михайлов

Московский государственный университет им М.В.Ломоносова, Москва, Россия

    Проблема селекции мод является одной из центральных при реализации эффективных МЦР, особенно на авторезонансе [1]. Если в гиротронах селекция по продольным индексам (которые являются поперечными для ОР) осуществляется "естественно" за счет дифракционных потерь, взаимодействие пучка с различными поперечными модами однотипно (vf = , vg = 0) и они могут быть дискриминированы по стартовому току, то в волноводных МЦАР с попутной волной ситуация сложнее, так как ее групповая скорость близка к скорости электронов, а для паразитных встречных волн значительно меньше. Поэтому стартовые токи последних могут быть очень низкими по сравнению с оптимальными для эффективного усиления попутной волны. Поэтому разработка различных электродинамических и электронных способов селекции весьма важна.
    Для длительных РЭП могут использоваться секционирование путем установки поглотителей [2], нелинейное подавление паразитных мод сильным сигналом [3], сложные пучки; для пучков ЛУЭ - групповой синхронизм сгустка с попутным микроволновым импульсом. Другая группа методов основана на профилировании параметров, влияющих на синхронизм - размеров волновода и ведущего магнитного поля [4]. В частности, из кинематических соображений можно получить следующую оценку на относительное изменение радиуса цилиндрического волновода, при котором синхронизм со встречными волнами может быть нарушен, а с попутной - нет : 1/N > dR/R > 1/N², где N - число оборотов на длине заимодействия.
    В работе проведен более подробный самосогласованный анализ МЦАР с коническим волноводом и неоднородным ведущим магнитным полем. Показано, что подавление встречных волн возможно, но требуемый угол расширения волновода заметно возрастает с номером продольной моды, при этом стартовые длины для n > 1 увеличиваются ненамного. Нарушение синхронизма с попутной волной можно скомпенсировать соответствующим уменьшением магнитного поля. Приведенная выше оценка слишком качественная и не отражает ситуацию.
    Таким образом, рассмотренный способ подавления встречной волны в МЦАР в принципе возможен, но требует тщательной настройки.

Литература

1. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И. // Релятивистская высокочастотная электроника. Вып.2. Горький, ИПФ АН СССР, 1981. С.62.
2. Chong C.K., McDermott D.B., Lin A.T. et al // IEEE Trans. on Plasma Science. 1996. V.24. N 3. P.735.
3. Nusinovich G.S., Walter M., Zhao J. // Phys.Rev.E. 1998. V.58. I.5. P.6594.
4. Bratman V.L., Denisov G.G., Ofitserov M.M. et al // Proc. of 8 Int. Conf. on High-Power Particle Beams (BEAMS' 90). Novosibirsk, 1990. V.2. P.1129.

OPPOSITE WAVE SUPPRESSION CONDITIONS IN CRM WITH CONIC WAVEGUIDE

A.F. Alexandrov, V.A. Kubarev, A.V. Mikhailov

Moscow state university, Moscow, Russia

    The problem of mode selection is one of central at realization of effective CRM, especially on autoresonance [ 1 ]. If in gyrotrons selection on longitudinal indexes ( which are transverse for OR ) is produced "naturally" by means of diffraction losses, interaction of a beam with various transverse modes is of the same type ( vf = , vg = 0) and they can be discriminaited by starting current, in waveguide CARM with a travelling wave a situation is more complex, as its group velocity is close to the velocity of electrons, and for parasitic opposite waves is considerably less. Therefore the start currents of the last can be very low in comparision with optimum current for effective travelling wave amplification. Therefore the development of various electrodynamic and electronic methods of selection is rather important.
    For long duration REB next methods can be used: sectioning by installation of absorbers [ 2 ], nonlinear suppression of parasitic modes by a strong signal [ 3 ], complex beams; for Linax beams - group syncronism of the bunch with a forward microwave pulse. Other group of methods is based on profiling of parameters, influencing on syncronism - waveguide sizes and guiding magnetic field [ 4 ]. In particular, from reasons of kinematic it is possible to obtain following evaluation on relative change of cylindrical waveguide radius, at which syncronism with opposite waves can be infringed, and with forward - can not: 1 / N > dR / R > 1 / N², where N - number of revolutions on an interaction length.
    The more detailed selfconsistent analysis of CARM with conic waveguide and non-uniform guiding magnetic field is presented in work. It is shown, that the suppression of opposite waves is possible, but the required angle of waveguide enlargement appreciably grows with the index of longitudal mode, thus the start lengths for n>1 are increased insignificantly. Infringement of syncronism with a forward wave is possible to compensate by appropriate reduction of magnetic fields. The such above evaluation is too qualitative and does not correspond a situation.
    Thus, the considered way of suppression of an opposite wave in CARM is possible in principle, but requires careful elaboration.

References

1. Kovalev N.F., Petelin M.I. // Relativistic high-frequency electronics. Issue 2, Gorkii, IAP AS USSR, 1981. P.62.
2. Chong C.K., McDermott D.B., Lin A.T. Et al // IEEE Trans. On Plasma Science. 1996. V.24. N 3. P.735.
3. Nusinovich G.S., Walter M., Zhao J. // Phys. Rev. E. 1998. V.58. I.5. P.6594.
4. Bratman V.L., Denisov G.G., Ofitserov M.M. et al // Proc. of 8 Int. Conf. On High-Power Particle Beams ( BEAMS " 90. Novosibirsk, 1990. V.2. P.1129.

СЕЛЕКТИВНЫЕ ОТКРЫТЫЕ РЕЗОНАТОРЫ С ГИБРИДНЫМИ ЗЕРКАЛАМИ ДЛЯ МОЩНЫХ МЦР

В.А. Кубарев, В.В. Михеев

Московский государственный университет им М.В.Ломоносова, Москва, Россия

    Как известно, разработка мощных МЦР сталкивается с двумя основными проблемами: формирование качественных винтовых электронных пучков и селекция мод в сверхразмерных электродинамических структурах. Если пути решения первой в принципе намечены [1-3], то селекция рабочей моды (по поперечным индексам в гиротронах, по продольным и поперечным в МЦАР) как правило сложнее. Один из возможных способов, развиваемых в последнее время для гиротронов, основан на переходе к сложным коаксиальным резонаторам и квазиобъемным модам [4]. Тем не менее, при диаметрах порядка 10-20 длин волн разница частот и стартовых токов конкурирующих мод становится небольшой и надежная электродинамическая и электронная селекция трудноосуществима. Существенное разрежение спектра возможно в ОР с частотно-селективными зеркалами или элементами, которые при высокой мощности излучения должны работать в сильных СВЧ полях при значительной тепловой нагрузке.
    Предлагаемый способ состоит в использовании ОР с гибридными зеркалами (ОРГЗ) , в которых центральная часть шириной Am, находящаяся в максимальном поле, выполнена металлической, а краевые части - в виде узкополосных (с центральной частотой f0, соответствующей выбранной моде) многослойных диэлектрических зеркал (МДЗ) с высоким коэффициентом отражения (R(f0) =1). При этом для рабочей моды зеркало имеет полную ширину (A), а для паразитных эквивалентная ширина уменьшается вплоть до размера центральной части (Am); соответственно их френелевские параметры могут сильно отличаться. При раздвигании МДЗ образуется система связанных резонаторов, параметры которой можно оптимизировать для конкретного режима.
    Кроме селекции моды указанная конструкция ОРГЗ позволяет в определенных пределах управлять резонансной частотой и добротностью, коэффициентом отражения зеркала и поглощением, а также выводить излучение квазиоптическим пучком через МДЗ (без последующего преобразования моды). В этом смысле особенно интересны варианты зеркал из материалов типа фотонного кристалла, включая плазменные. При использовании нелинейных МДЗ возможна реализация нелинейной обратной связи [5].
    Обсуждаются типы гибридных зеркал и возможные характеристики ОРГЗ.

Литература

1. Братман В.Л., Денисов Г.Г., Офицеров М.М. // Релятивистская высокочастотная электроника. Вып.3. Горький, ИПФ АН СССР, 1983. С.127.
2. Granatstein V.L., Lawson W. // IEEE Trans. on Plasma Science. 1996. V.24. N 3. P.648
3. Александров А.Ф., Кубарев В.А., Михайлов А.В. // ВМУфиз. 1999. Т.40. ╧3. С.28.
4. Nusinovich G.S. // IEEE Trans. on Plasma Science. 1996. V.24. N 3. P.586.
5. Кубарев В.А. // РиЭ. 1995. Т.40. ╧11. С.1703. 1996. Т.41. ╧3. С.280.

SELECTIVE OPEN RESONATORS WITH HYBRID MIRRORS FOR POWERFUL CRM

V.A. Kubarev, V.V. Mikheev

Moscow state university, Moscow, Russia

    As it is known, the development of powerful CRM collides with two main problems: qualitative helical electron beams formation and modes selection in oversized electrodynamic structures. If the ways of decision of the first one are basically scheduled [1-3], working mode selection (on transversal indexes in gyrotrons, on longitudinal and transversal in CARM ) as a rule is more complex. One of possible ways, developing recently for gyrotrons, is based on transition to complex coaxial resonators and quasivolume modes [4]. Nevertheless, at diameters of the order of 10-20 wavelengths the difference of frequencies and starting currents of competitive modes becomes small and reliable electrodynamic and electronic selection is difficult. Essential spectrum rarefication is possible in OR with frequency-selective mirrors or elements, which should work at high power of radiation at high microwave fields and significant thermal load.
    The offered way consists in using of OR with hybrid mirrors (ORHM), in which the central part with width Am, standing in a maximum field, is made of metal, and edge parts - of narrow-band type (with central frequency f0, corresponding to a chosen mode) multylayer dielectric mirrors (MLDM) with a high factor of reflection ( R(f0)=1). Thus for a working mode the mirror has complete width (A), and for parasitic ones equivalent width decreases up to the size of a central part (Am); respectively their Frehnel parameters can strongly differ. While moving MLDM aside, a system of connected resonators will be formed, which parameters can be optimized for a particular regime.
    Except of mode selection the specified ORHM construction permits in certain limits to operate with resonant frequency and quality, factor of mirror reflection and absorption, as well as to transport radiation by a quasioptic beam through MLDM (without the subsequent mode transformation). In this sense variants of mirrors from materials of a photon crystal type, including plasma▓s, are especially interesting. Nonlinear feedback realization [ 5 ] is possible using nonlinear MLDM.
    Types of hybrid mirrors and possible ORHM characteristics are discussed.

References

1. Bratman V.L., Denisov G.G., Ofitserov M.M. // Relativistic high-frequency electronics. Issue 3, Gorky, IAP AS USSR, 1983, P.127.
2. Granatstein V.L., Lawson W. // IEEE Trans. On Plasma Science. 1996, V.24, N3, P.648
3. Alexandrov A.F., Kubarev V.A., Mikhaylov A.V. // MSU Phys.bull. 1999, V.40, N3, P.28.
4. Nusinovich G.S. // IEEE Trans. On Plasma Science. 1996. V.24. N 3. P.586.
5. Kubarev V.A. // Journal of Comm.Tech. and El. 1995. V.40. N11. P.1703, 1996. V.41. N3. P.280.

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАГНИТНЫХ ОНДУЛЯТОРОВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВИНТОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ И УСКОРЕНИЯ ПЛАЗМЫ

А.Ф. Александров, ^*В.Л. Веснин, В.А. Кубарев

Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия
^*Ульяновский Государственный Педагогический Университет, Ульяновск, Россия

    Магнитные ондуляторы различных конструкций в последнее время находят широкое применение в различных релятивистских СВЧ устройствах для накачки поперечных скоростей электронов и формирования винтовых электронных пучков. При формировании высококачественных винтовых пучков следует учитывать ряд обстоятельств, среди которых в первую очередь следует отметить следующие:
    Для уменьшения разброса электронов по скоростям необходимо обеспечивать постоянную по всему сечению пучка амплитуду ондуляторного поля. Для выполнения этого условия в случае использования трубчатых пучков могут быть применены коаксиальные ондуляторы [1, 2]. В случае использования ленточных пучков обычно применяются плоские ондуляторы, при этом в системах с ведущим магнитным полем, как правило, используются ондуляторы без ферромагнитных элементов [3]. Методика расчета параметров указанных ондуляторов, основанная на методе функций Грина, подробно рассмотрена в работах [1-3].
    При использовании ондуляторов с малым числом периодов существенное влияние на характеристики пучка оказывают краевые эффекты в ондуляторе. Учет этих эффектов проведен в работе [4], где показано, что и в этом случае можно добиться формирования высококачественных винтовых пучков. Применение таких ондуляторов является особенно актуальным в тех случаях, когда при высоких напряжениях и токах магнетронно-инжекторные пушки не могут обеспечить требуемых параметров РЭП.
    Особо следует отметить, что ондуляторы, содержащие несколько пар проводников (катушек) на каждом периоде и запитанные системой сдвинутых по фазе токов, при определенных условиях позволяют создать эффект бегущей ⌠магнитной ямы■. Такие ондуляторы могут найти применение не только в СВЧ устройствах, но и для ускорения плазменных сгустков, в частности, в ионно-плазменных двигателях космических аппаратов.

Литература

1. Александров А.Ф., Веснин В.Л., Кубарев В.А. // Радиотехника и Электроника, 1991, т.36, N 8, с.1525 - 1532.
2. Александров А.Ф., Веснин В.Л., Кубарев В.А. // Радиотехника и Электроника, 1996, т.41 , N 5, с.615 - 618.
3. Александров А.Ф., Веснин В.Л., Кубарев В.А. // Вестник Московского университета, сер. 3 : физика, астрономия, 1996, N 3, с.33 - 39.
4. Александров А.Ф., Кубарев В.А., Михайлов А.В. // Вестник Московского университета, сер. 3 : физика, астрономия, 1999, N 3, с.28 - 31.

OPPORTUNITIES OF MAGNETIC UNDULATORS USE FOR HELICAL ELECTRON BEAMS FORMATION AND PLASMA ACCELERATION

A.F. Alexandrov, ^*V.L. Vesnin, V.A. Kubarev

Moscow State University, Moscow, Russia
^*Ulianovsk State Pedagogical University, Ulianovsk, Russia

    Magnetic undulators of various designs find wide application recently in various relativistic microwave devices for electron transverse velocity pumping and helical electron beams formation. For high quality beams formation it should be taken into account a number of circumstances, among which first of all it should be noted the following:
    For reduction of electron velocities spread it is necessary to provide an undulator field amplitude constant on all beam crossection. For fulfilment of this condition in case of tubular beams coaxial undulators can be applied [ 1, 2 ]. In case of ribbon beams use plane undulators are usually applied, thus in systems with a guiding magnetic field, as a rule, undulators without ferromagnetic elements are used[ 3 ]. The technique of specified undulators parameters calculation, based on the Green's functions method, is considered in details in works [ 1-3 ].
    By undulators use with small number of periods edge effects render essential influence on the beam characteristics. The account of these effects is conducted in work [ 4 ], where it is shown, that even in this case it is possible to achieve high quality helical electron beams formation. Such undulators application is especially urgent when magnetron injection guns can not ensure required REB parameters at high voltages and currents.
    Especially it must be noted, that undulators, containing several pairs of conductors (coils ) on each period and being drived by shifted in phase currents, under certain conditions permit to create an effect of running "magnetic hole". Such undulators can find applications not only in microwave devices, but also for plasma bunch acceleration , in particular, in space vehicles plasma engines.

References

1. Alexandrov A.F., Vesnin V.L., Kubarev V.A. // Journal of Comm.Tech. and El., 1991, V.36, N8, P.1525.
2. Alexandrov A.F., Vesnin V.L., Kubarev V.A. // Journal of Comm.Tech. and El., 1996, V.41, N5, P.615.
3. Alexandrov A.F., Vesnin V.L., Kubarev V.A. // MSU Bull. Phys., 1996, N3, P.33.
4. Alexandrov A.F., Kubarev V.A., Mikhaylov A.V. // MSU Phys.bull. 1999, V.40, N3, P.28.