Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Сильноточные пучки заряженных частиц

Голосов: 0

Управляемый термоядерный синтез, стратегическая оборонная инициатива - эти грандиозные научно-технические проблемы 70-90-х годов инициировали развитие исследований сильноточных пучков заряженных частиц.В статье рассказано об успехах в изучении сильноточных пучков в вакууме и газе.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                           HIGH-CURRENT BEAMS             СИЛЬНОТОЧНЫЕ ПУЧКИ
                       OF CHARGED PARTICLES
                       L. I. RUDAKOV
                                                      ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
                                                      г. а. кмСДдйЗ
                       Controlled      thermonu-
                                                      еУТНУ‚ТНЛИ ЩЛБЛНУ-ЪВıМЛ˜ВТНЛИ ЛМТЪЛЪЫЪ
                       clear synthesis, strategic
                       defense initiative – these
                       challenging scientific and            1. кДЗзйЗЦлзхв сагазСкауЦлдав имуйд
                       technical problems of                    Пучки заряженных частиц – электронов извест-
                       past decades initiated the            ны науке много лет. Они используются в современ-
                                                             ных кинескопах. Пучки – мощный инструмент ис-
                       research and development              следований в физике высоких энергий. Такие пучки
                       of high-current beams of              управляются внешними электромагнитными поля-
                       chaged particles. This arti-          ми. В современном ускорителе пучок может жить на
                                                             орбите в течение многих часов.
                       cle describes high-current
                                                                В 70-х годах в результате развития техники и по-
                       beams studies in gases                явления новых задач в поле зрения ученых попал
                       and vacuum.                           новый объект – сильноточные пучки заряженных
                                                             частиц. Ток, который переносят эти пучки, измеря-
                                                             ется не в миллиамперах, как в случае традиционных
                       мФ ‡‚ОflВП˚И        ЪВ ПУ-             электронных пучков, а в мегаамперах, то есть в мил-
                       fl‰В М˚И ТЛМЪВБ, ТЪ ‡ЪВ-               лионах ампер, и магнитные поля вокруг такого пуч-
                                                             ка могут составлять миллионы эрстед. Управлять
                       „Л˜ВТН‡fl У·У УММ‡fl ЛМЛ-
                                                             таким пучком с помощью катушек магнитного по-
                       ˆЛ‡ЪЛ‚‡ – ˝ЪЛ „ ‡М‰ЛУБ-               ля, как это делается в традиционной технике, уже
                       М˚В М‡Ы˜МУ-ЪВıМЛ˜ВТНЛВ                невозможно, и приходится использовать его собст-
                                                             венные электромагнитные поля.
                       Ф У·ОВП˚ 70 – 90-ı „У‰У‚
                                                                Что мы понимаем под термином “пучок”? Это
                       ЛМЛˆЛЛ У‚‡ОЛ      ‡Б‚ЛЪЛВ
                                                             поток параллельно или почти параллельно летящих
                       ЛТТОВ‰У‚‡МЛИ      ТЛО¸МУ-             заряженных частиц. Рассмотрим условия существо-
                       ЪУ˜М˚ı ФЫ˜НУ‚ Б‡ flКВМ-                вания такого пучка. Пусть пучок распространяется
                                                             в вакууме. Для простоты предположим,что пучок
                       М˚ı ˜‡ТЪЛˆ. З ТЪ‡Ъ¸В ‡Т-
                                                             имеет цилиндрическую форму и направление рас-
                       ТН‡Б‡МУ У· ЫТФВı‡ı ‚ ЛБЫ-             пространения совпадает с осью Z цилиндра. Баланс
                       ˜ВМЛЛ ТЛО¸МУЪУ˜М˚ı ФЫ˜-               сил, действующих в радиальном направлении, опи-
                                                             сывается силой Лоренца
                       НУ‚ ‚ ‚‡НЫЫПВ Л „‡БВ.
                                                                                       eυ
                                                                              F = – eE ----- B,
                                                                                           -                 (1)
                                                                                         c
                                                             где E – напряженность электрического поля и B –
                                                             напряженность магнитного поля, создаваемых пуч-
                                                             ком, υ – скорость пучка, c – скорость света. Если
                                                             это радиальная сила, то υ – скорость пучка в на-
                                                             правлении оси Z. Равновесие пучка в радиальном
                                                             направлении возможно, если суммарная сила, дей-
                                                             ствующая на пучок, близка или равна нулю. Элект-
                                                             рическое поле объемного заряда определяется урав-
© кЫ‰‡НУ‚ г.а., 1996




                                                             нением Пуассона:
                                                                             1d
                                                                             -- ---- rE = – 4πen,
                                                                                   -                         (2)
                                                                             r dr
                                                             а магнитное поле – уравнением Ампера:
                                                                            1d             4π
                                                                            -- ---- rB = – -----
                                                                                  -            -enυ.         (3)
                                                                            r dr             c


                                                      кмСДдйЗ г.а. лагъзйнйузхЦ имуда бДкьЬЦззхп уДлнас            105


      Формулы (1) – (3) написаны в системе CGSE, e –        тому что практически невозможно контролировать
      заряд электрона, n – число электронов в 1 см3.        количество ионов в канале пучка. Ионы накаплива-
                                                            ются вследствие ионизации газа. Кроме того, име-
          Электрическая сила действует в радиальном
                                                            ется ряд динамических процессов, которые мы на-
      направлении, так как одноименные заряды оттал-
                                                            зываем неустойчивостью пучка. Эти процессы
      киваются. Параллельные токи, наоборот, стягива-
                                                            перераспределяют плотность ионов в канале в ради-
      ются, а пучок есть совокупность параллельно на-
                                                            альном и продольном направлениях и разрушают
      правленных токов. Таким образом, электрическая и
                                                            равновесную конфигурацию пучка.
      магнитная силы действуют в противоположных на-
      правлениях. Однако магнитная сила в вакууме все-
      гда меньше электрической силы расталкивания, так      2. аеимгълзхЦ лагъзйнйузхЦ имуда дДд
      как скорость частиц всегда меньше скорости света.     зйланЦга щзЦкЙаа
      Для электронов, движущихся со скоростью, близкой         В 70-х годах появилось новое техническое на-
      к скорости света, в релятивистских пучках эта раз-    правление, в котором сильноточные электронные и
      ность мала, но суммарная радиальная сила, действу-    ионные пучки могли сыграть важную роль. Это на-
      ющая на пучок, всегда приводит к его расширению.      правление называется “инерционный управляемый
         Каким образом можно осуществить радиальное         термоядерный синтез”. Физики предложили реали-
      равновесие? Надо слегка уменьшить силу расталки-      зовать в лабораторных условиях термоядерный
      вания. Этого эффекта можно достигнуть, если пу-       взрыв, аналогичный взрыву термоядерной бомбы, с
      чок распространяется не в вакууме, а через газ низ-   целью использования выделяющейся энергии, по-
      кого давления. Тогда вследствие ионизации газа на     добно тому как взрыв химического горючего ис-
      пути пучка появятся ионы. Электроны газа будут        пользуется в двигателе внутреннего сгорания.
      вытолкнуты из области пучка его электрическим         Взрыв, осуществляемый в лаборатории, должен
      полем, и пучок будет двигаться по каналу с некото-    быть умеренной силы, чтобы он не разрушал стенок
      рым ионным зарядом. Это приведет к ослаблению         взрывной камеры и мог повторяться в камере мил-
      силы расталкивания. Всегда можно вычислить не-        лионы раз. Он может быть осуществлен только с по-
      обходимый заряд, который нужен для обеспечения        мощью новых источников энергии, которые спо-
      равновесного в радиальном направлении состояния       собны на термоядерном устройстве размером в
      пучка. Для сильно релятивистских пучков нужно         несколько миллиметров сконцентрировать энер-
      небольшое количество ионов. Такой пучок сущест-       гию в несколько мегаджоулей за время, составляю-
      вует до первого столкновения с ионами или атома-      щее сотые доли микросекунды. Из имеющихся или
      ми газа на его пути. Если релятивистский пучок        мыслимых в то время источников для этой цели
      распространяется в разреженном газе, где число ча-    подходили импульсные лазеры и импульсные гене-
      стиц в 1см3 составляет 1013, то длина пробега элек-   раторы сильноточных электронных пучков, так как
      трона до первого столкновения будет составлять де-    мощность, которую надо было донести до термо-
      сятки тысяч километров.                               ядерной мишени в очень короткое время, превыша-
                                                            ла мощность всех электростанций мира. Простые
         В 50-х годах замечательный советский физик         оценки показывают, что этого можно в принципе
      А.М. Будкер предложил оригинальную идею ис-           достигнуть, если пучок заряженных частиц с энер-
      пользования сильноточных релятивистских пучков        гией в десяток мегаэлектронвольт сфокусировать на
      для передачи энергии на далекие расстояния. Как       термоядерной мишени с общей площадью около
      мы знаем, в металлических проводниках, использу-      одного квадратного сантиметра при токе пучка в де-
      емых в линиях электропередач, существенная часть      сятки мегаампер.
      передаваемой энергии теряется в виде тепла. Идея
      Будкера заключалась в том, что можно передавать          В начале 70-х годов уже существовали техничес-
      электрическую энергию на большие расстояния           кие предпосылки для генерации таких пучков, и
      практически без потерь, если носителем энергии        физики приступили к изучению возможностей по-
      сделать релятивистские электроны, распространя-       лучения, фокусировки и транспортировки сильно-
      ющиеся внутри трубопровода с техническим вакуу-       точных пучков на термоядерную мишень. Инициа-
      мом, что сегодня реализуемо, так как мы строим        тором этих исследований в Курчатовском институте
      гигантские газопроводы и нефтепроводы. Тогда ре-      был академик Е.К. Завойский.
      лятивистский пучок с энергией в несколько мега-          Типичная конструкция импульсного электриче-
      электронвольт и током в сотни ампер будет перено-     ского генератора изображена на рис. 1. Импульсная
      сить мощность в сотни мегаватт без потерь, и эта      конденсаторная батарея и система газовых и водя-
      энергия может быть использована на станции-при-       ных разрядников – ключей формирует электричес-
      емнике по назначению. (Один мегаэлектронвольт         кий импульс, распространяющийся в очищенной
      (1 Мэв) – это энергия электрона, ускоренного в        от примесей и солей воде, которая является деше-
      электрическом поле с разностью потенциала в один      вым и практичным диэлектриком. Перегородка из
      мегавольт.) Однако эта красивая идея, которая ис-     оргстекла отделяет воду от вакуумного объема, где
      следовалась в 60-х годах, не была реализована, по-    формируется пучок.


106                                                            лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹2, 1996


                1                                           2            3          4                  5


                                      ..
                                      .       ..
                                              ..
                                      ..
                                      ..      ..
                                              .
                                      ..
                                      ..      ..
                                              .
                                      .       ..                                                ..
                                                                                               ..
                                                                                               ..
                                                                                              ..
                                                                                              ..
                                                                                              ..
                                      ..      ..                                              ..
                                                                                               ..
                                      ..      ..                                                .
                                      .       .
                                      ..      ..
                                              ..
                                      ..
                                      .       ..
                                      ..      .



   Рис.1. Конструктивная схема модуля восьмимодульной установки АНГАРА-5. Длина модуля 15 м. 1– генератор
   импульсного напряжения в объеме, наполненном маслом; 2, 4 – двойная формирующая (2) и передающая (4) ли-
   нии в воде; 3 – разрядник для устранения предимпульса; 5 – ускорительная трубка (диод).


    Десятилетием позднее появилась другая научно-        Если ток, переносимый пучком, больше тока Аль-
техническая проблема, печально известная в нашей         фена, то магнитная энергия, окружающая пучок,
стране, – “стратегическая оборонная инициатива”,         превышает кинетическую энергию в пучке. Маг-
или СОИ. Она возникла первоначально в США и              нитная энергия не может быть использована для на-
имела целью создание глобальной системы защиты           грева мишени. Следовательно, для эффективного
от возможного атомного нападения. Сразу же эти           использования пучка необходимо иметь ток мень-
исследования были начаты и в Советском Союзе.            ше альфеновского. Но альфеновский ток для элек-
Идея состояла в том, чтобы с помощью какого-либо         тронов составляет относительно небольшую вели-
мощного источника энергии, сформированного в             чину. Так, при энергии частиц, равной 10 МэВ,
виде направленного потока ( это мог быть луч лазе-       альфеновский ток составляет всего лишь 300 кА, а
ра, пучок заряженных или нейтральных частиц),            для нагрева термоядерной мишени требуются токи
нанести разрушительное повреждение ракете напа-          в десятки раз большие. Таким образом, сам пучок,
дающей стороны, несущей атомную боеголовку, на           как физический объект, несет в себе свойства, каза-
достаточно большом расстоянии от цели.                   лось бы, препятствующие возможности использо-
    К изучению сильноточных пучков были привле-          вания его как инструмента для мощного быстрого
чены большие научные коллективы, строились               нагрева мишени.
крупные установки, широким фронтом велись ис-               Можно ли найти выход из этой ситуации? Да.
следования. Сразу же возникло понимание необхо-          Надо уменьшить величину магнитного поля, окру-
димости исследовать принципиально новую физи-            жающего пучок. В импульсной электротехнике, где
ку. Действительно, целью пучка было донести              затраты на создание магнитного поля вокруг про-
энергию до объекта, будь то термоядерная мишень          водников также нежелательны, умеют бороться с
или ракета противника. Энергия, которая может            этим эффектом. Для этого используют линии связи,
быть использована, – это поступательная кинети-          в которых ток течет к нагрузке по центральному
ческая энергия заряженных частиц. Однако пучок           проводнику, а возвращается по внешней оплетке.
заряженных частиц – это не только кинетическая           Такой проводник называется коаксиалом. В нем
энергия летящих частиц, а также электрическая и          магнитное поле сосредоточено только внутри изо-
магнитная энергия, окружающая пучок. То есть,            лятора, разделяющего внутренний проводник и оп-
прежде чем формировать пучок или одновременно            летку. Объем, занятый магнитным полем, может
с этим мы формируем электромагнитные поля, ок-           быть снижен в десятки раз.
ружающие пучок.                                             Мы не можем реализовать такой коаксиал для
    Давайте сравним энергию магнитного поля и            пучков, потому что пучок не есть твердая субстан-
кинетическую энергию, заключенную в сечении              ция, но мы можем достичь того же эффекта, если
пучка. Если мы возьмем отношение этих двух вели-         пучок транспортировать через плазму. Плазма со-
чин, то оно окажется равным отношению тока, пере-        стоит из электронов и ионов, и ее проводимость до-
носимого пучком, к некой величине, составленной          статочно высока для тех проблем, которые нас ин-
из универсальных констант и впервые введенной в          тересуют. Пучок в плазме малой плотности может
физику пучков известным шведским физиком Аль-            распространяться, не испытывая столкновений.
феном; она получила название тока Альфена:               Мы получаем, таким образом, интересный физиче-
                               2
                                                         ский объект. Носителем энергии является пучок, а
                     mυc                                 проводящая среда, в которой движется поток заря-
                     ------------ .
                                -                  (4)
                          e                              женных частиц, не испытывающих столкновений,


кмСДдйЗ г.а. лагъзйнйузхЦ имуда бДкьЬЦззхп уДлнас                                                              107


      препятствует быстрому возникновению и проник-         объемного заряда. С увеличением объeмного заряда
      новению магнитных полей.                              происходит экранирование электрического поля на
          Электромагнитные поля могут проникнуть в          катоде, и благодаря этому ток, эмиттируемый из ка-
      проводящую среду только на глубину так называе-       тода, уменьшается. Объемный заряд ускоряемых
      мого скин-слоя. Величина скин-слоя зависит от         электронов в вакуумном промежутке как бы пере-
      электропроводности материала и от времени им-         мещает катод от его реального положения в вакуум,
      пульса. В тех задачах, о которых идет речь, глубина   в сторону анода. Это ограничение объемного заряда
      скин-слоя может составлять доли миллиметра. Это       может быть рассчитано из уравнения Пуассона (см.
      означает, что пучок заряженных частиц, входящий в     формулу (2)), а ток, текущий через диод, равен про-
      плазму, оставляет свое магнитное поле в вакууме.      изведению плотности электронов на скорость, ко-
      То есть в плазме генерируется обратный ток, подобно   торая также связана с приложенным потенциалом.
      тому как это происходит в коаксиале. Но в отличие     Отсюда следует выражение для тока, генерируемого
      от коаксиала пучок индуцирует в плазме обратный       в диоде, известное как закон Ленгмюра:
      ток, который практически полностью компенсирует                                     2
                                                                              2 mυc eU R 2
                                                                      I = ------ ------------  --------   --- , υ =
      магнитное поле пучка в каждой точке объема канала                                                                   2eU
                                                                               -            -          -                  ----------.   (5)
      пучка. Это утверждение является приближенным.                         9 e  mc 2  d                                 m
      Действительно, если глубина скин-слоя превышает
      размер пучка, то магнитное поле может возникнуть      (Ленгмюр – знаменитый американский ученый,
      в канале пучка, при этом обратный ток, индуциро-      классик физики плазмы и физической электроники .)
      ванный пучком, затухнет. Таким образом, существу-
      ет физическое явление, которое позволяет управ-          Физики, занявшиеся сильноточными пучками в
      лять величиной магнитного поля в канале пучка.        70-х годах, столкнулись с новым ограничением на
                                                            величину тока диода, связанным с сильноточнос-
         Для того чтобы потери энергии на создание маг-     тью. Действительно, согласно формуле (1), кроме
      нитного поля не были чрезмерными, суммарный           электрической силы, ускоряющей электроны от ка-
      ток, текущий по каналу пучка, должен быть меньше      тода к аноду, на них действует магнитная сила, заво-
      тока Альфена. Это означает, что степень уменьше-      рачивающая электроны к оси диода, а если маг-
      ния суммарного тока должна быть велика в задаче о     нитное поле достаточно велико, магнитная сила
      транспортировке пучка на термоядерную мишень,         поворачивает электроны назад к катоду. Мы мо-
      и требуется очень точное управление этим эффек-       жем написать простое соотношение, определяю-
      том. Это сделать сложно, однако возможно. Что ка-     щее верхний предел для тока электронов, который
      сается создания плазмы, то здесь нет необходимости    может протекать через диод. Это условие состоит в
      использовать дополнительные источники энергии.        том, что зазор катод – анод d должен быть меньше
      Пучок заряженных частиц сам ионизует плазму           радиуса вращения электрона в магнитном поле тока.
      своими электрическими и магнитными полями. На
      это тратится лишь небольшая доля энергии пучка.
      Проблема состоит в преодолении нестационарных,
      слабо контролируемых явлений, которые мы назы-
      ваем неустойчивостью и которые весьма типичны
      для плазмы вообще.

      3. оабадД ЙЦзЦкДсаа лагъзйнйузхп
      имудйЗ
          Возможности генерации мегаамперных пучков с
      энергией в несколько мегаэлектронвольт были под-                           R = 2,54 см
      готовлены прогрессом импульсной техники, кото-
      рая позволяет сегодня генерировать электрические
      импульсы с мощностью в десятки тысяч гигаватт.
      Пучки получаются ускорением заряженных частиц
      в зазоре катод – анод диода. Типичная конфигура-
                                                               d




      ция диода и траекторий электронов изображена на
      рис. 2. Импульсная конденсаторная батарея заря-
                                                                   0,635 см




      жает катод избытком электронов. Электроны эмит-
      тируются в вакуумный промежуток и ускоряются
      электрическим полем в сторону анода. Анод пред-
      ставляет собой тонкую фольгу или хорошо прони-
      цаемую сетку. Есть ограничения на величину тока,         Рис. 2. Расчетные стационарные траектории эле-
      который может быть ускорен в диоде заданной гео-         ктронов в диоде с плоскими круглыми электрода-
      метрии. Это прежде всего связано с накоплением           ми (ток меньше альфеновского).



108                                                            лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹2, 1996


   Как известно, электрон в магнитном поле совер-        Физики, работавшие над проблемой поджига
шает ларморовское вращение и радиус вращения          термоядерного микровзрыва, в конце 70-х годов
выражается через скорость и магнитное поле со-        предложили использовать для этой цели не элек-
гласно формуле                                        тронные, а ионные пучки. Они менее чувствитель-
                                                      ны к магнитному полю. Ионы также совершают в
                        mυc                           магнитном поле ларморовское вращение, но лармо-
                        ---------- .
                                 -              (6)
                          eB                          ровский радиус ионов почти в сто раз больше, чем у
                                                      электронов. В ленгмюровском диоде ускоряются не
Если мы воспользуемся формулой (3) для магнит-        только электроны, но и ионы. Ион, вышедший из
ного поля , то получим величину максимального то-     анода, попадает в электрическое поле и начинает
ка, который может протекать через диод:               двигаться к катоду. Пройдя зазор, он получит такую
                                       2              же энергию, как электрон, но при этом скорость ио-
                      mυc R                           на будет меньше, так как его масса больше. В обыч-
                  I = ------------ ---.
                                 -              (7)
                          2e d                        ном слаботочном диоде ионный ток в корень квад-
                                                      ратный из соотношения масс электрона к иону
Здесь опять появилось выражение для альфеновско-      меньше, чем электронный ток, и обычно им можно
го тока: ток, идущий через диод, равен альфеновско-   пренебречь.
му току, умноженному на отношение радиуса диода
к анод-катодному промежутку. В релятивистском            Однако можно реализовать условия, когда ион-
случае у этой формулы другая зависимость от вели-     ный ток будет сравним с электронным и даже будет
чины приложенного напряжения. Энергия элек-           превышать его. Возьмем для этого диод с большим
тронов может быть записана в виде mc2, где m – ре-    отношением R / d, так чтобы согласно формуле (6)
лятивистская масса частицы. Эти две формулы           ларморовский радиус электрона, определяемый
отличаются тем, что в формуле Ленгмюра отноше-        величиной тока, стал меньше зазора d. В этом слу-
ние R к d во второй степени, а не в первой, как в     чае диод будет работать в режиме, когда основной
формуле (7) ( закон Чайлда–Ленгмюра).                 ток, текущий через него, будет ионным, а электро-
                                                      ны в магнитном поле тока будут замагничены и не
    Таким образом, если мы желаем получить силь-      будут достигать анода. Такая ситуация изображена
ноточный пучок с током много больше альфенов-         на рис. 3. Она может быть легко достигнута путем
ского, у нас есть две возможности: повышать напря-    выбора соответствующего генератора тока и на-
жение и увеличивать отношение R / d, увеличивая       пряжения и соотношения R / d. Ионы при этом бу-
площадь диода. Уменьшать d слишком сильно нель-       дут лететь почти параллельно оси, и мы можем
зя, так как в сильноточных диодах и на катоде, и на   пренебречь их поворотом в магнитном поле, если
аноде возникает плазма, которая движется навстре-     ток не слишком велик. Как видим, одно и то же ус-
чу друг другу. В результате очень быстро происходит   тройство с разным отношением R / d может генери-
короткое замыкание промежутка, и диод перестает       ровать электроны или ионы.
генерировать энергичные электроны. Поэтому все
сильноточные диоды работают при напряжении,              В настоящее время программа поиска путей
близком к мегавольту или выше, так что электроны,     поджига термоядерного микровзрыва с помощью
генерируемые в диоде, надо рассматривать уже как      ионных пучков развивается в США в государствен-
релятивистские частицы, а сильноточные пучки эле-     ной лаборатории Сандия и в Германии в научном
ктронов называются релятивистскими электронны-        центре Карлсруэ. Простота генерации ионных пуч-
ми пучками. Для определения величины тока, иду-       ков служит стимулом этих исследований. Тем не
щего через диод, надо пользоваться формулой (7).      менее исследователи встречаются с серьезными
                                                      трудностями, так как течение ионов в диоде, как
   Второе важное обстоятельство, которое следует      показывают теория и эксперимент, неустойчиво.
из физики ускорения электронов в диоде, состоит в
том, что электроны в диоде движутся не параллель-
но, а каждый по своей орбите, стягивающейся к оси                             Катод
диода. На оси диода нет магнитного поля, там элек-         +       +                  +              +
троны движутся в направлении от катода к аноду, а                                                        -
крайние частицы заворачиваются магнитным по-                                                                    d
лем наиболее сильно (см. рис. 2). Поэтому пучок,
проходящий через анодную фольгу, имеет разные
направления движения. Хотя такой пучок может                                   Анод
потом быть захвачен собственным магнитным по-
лем и распространяться через плазму, но это будет                                Rк
некачественный пучок. Его трудно будет сфокуси-
ровать. Это обстоятельство сильно усложняет ис-          Рис.3. Геометрия диода и схема траекторий эле-
пользование электронных пучков для нагрева тер-          ктронов ( − ) и ионов ( + ). Rк – радиус катода, d –
моядерной мишени.                                        зазор анод – катод.



кмСДдйЗ г.а. лагъзйнйузхЦ имуда бДкьЬЦззхп уДлнас                                                                   109


      В нем возникают неконтролируемые колебания, и        тонкого поверхностного слоя толщиной от десяти
      качество ионного пучка, выходящего из диода, ху-     до ста микрон. Затем происходит очень быстрое ос-
      же, чем предсказывает простейшая теория. Ионный      тывание этого тонкого слоя. При этом не успевает
      термояд сегодня проигрывает по контролю качества     произойти кристаллизация в полном объеме, и по-
      пучков лазерному управляемому синтезу, где термо-    лученные таким путем поверхности имеют очень
      ядерная мишень поджигается мощными сфокуси-          малую зернистость, аморфную структуру. Такие по-
      рованными лазерными лучами. Однако ионные            верхности обладают большой износостойкостью,
      пучки в будущем могут выиграть это состязание, так   не происходит микроотколов, охрупчивания, и
      как единица лазерного света, доставленная на ми-     срок службы изделий, прошедших такую обработку,
      шень, чрезвычайно дорога. Генератор ионных пуч-      увеличивается во много раз.
      ков дает в десятки раз более дешевую энергию, и         Другой пример использования импульсной тех-
      затраты на его строительство также значительно       ники – генерация мощных импульсов рентгеновско-
      меньше. Современный лазерный генератор, кото-        го излучения для тестирования стойкости военной
      рый способен только продемонстрировать возмож-       техники к воздействию излучений ядерного взрыва.
      ность поджига термоядерной мишени, стоит более       Сегодня мировая общественность активно выступа-
      миллиарда долларов. Тем не менее научное сообще-     ет против проведения подземных ядерных испыта-
      ство, правительства и налогоплательщики развитых     ний. Физики считают, что большая часть эффектов
      стран согласны платить гигантские суммы за то, что   воздействия ядерного взрыва и защиты от них могут
      ученые получат свидетельство принципиальной          быть изучены в лабораторных условиях. Источником
      возможности достижения термоядерного микровз-        сверхмощного излучения могут быть системы, со-
      рыва в лаборатории, то есть возможности иметь        зданные на основе генераторов сильноточных пуч-
      альтернативный источник энергии для человечест-      ков и импульсных генераторов тока. Сильноточный
      ва в будущем.                                        самостягивающийся разряд в газе, осуществляемый
                                                           импульсным током в миллионы ампер, может дать
      4. икаеЦзЦзаь лагъзйнйузхп имудйЗ                    короткую вспышку рентгеновского излучения необ-
         Применение электронных и ионных пучков не         ходимой мощности. Над этим работают сейчас круп-
      ограничивается такой амбициозной проблемой,          нейшие военные лаборатории мира.
      как термоядерный синтез, или скандальными зада-         Более детальное освещение импульсной элект-
      чами типа СОИ. В 80-х годах в связи с разработкой    ротехники и физики пучков читатель может найти в
      СОИ в исследования по генерации и физике пуч-        приведенной литературе.
      ков, по развитию экспериментов были вовлечены
      большие коллективы, были вложены большие сред-       ганЦкДнмкД
      ства. В начале 90-х годов после изменения полити-
                                                              1. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных
      ческой ситуации в мире и окончания военного             импульсов. М.: Сов. радио, 1974.
      противостояния программа СОИ потеряла актуаль-          2. Миллер Р. Введение в физику сильноточных пучков
      ность. Перед учеными, занимавшимися импульс-            заряженных частиц. Перевод с англ. М.: Мир, 1984.
      ной техникой и сильноточными пучками, встала за-        3. Генерация и фокусировка сильноточных реляти-
      дача использования накопленных знаний для               вистских электронных пучков / Под ред. Л.И. Рудако-
      мирных применений, то есть проблема конверсии.          ва. М.: Энегроатомиздат, 1990.
         Приведу несколько примеров возможности эф-
      фективного использования этой техники. Им-                                   * * *
      пульсные пучки заряженных частиц используются           Леонид Иванович Рудаков,доктор физико-ма-
      для повышения износостойкости материалов и           тематических наук, профессор Московского физи-
      оборудования, для изучения структуры поверхнос-      ко-технического института, директор Отделения
      тей и закаливания. Ионные, электронные, лазер-       прикладной физики Российского Научного Центра
      ные пучки имеют малую глубину проникновения в        “Курчатовский институт”, лауреат двух Государст-
      твердые материалы, поэтому при облучении по-         венных премий. Автор более 200 научных публика-
      верхностей таким излучением происходит расплав       ций, трех монографий.




110                                                           лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹2, 1996



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика