ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. В.Н. Каразіна

ТАРАСОВ ІГОР КУЗЬМИЧ

УДК 533.9.01

ФОРМУВАННЯ І ДИНАМІКА ЕЛЕКТРОННИХ СТРУКТУР

У ПУЧКОВО-ПЛАЗМОВИХ СИСТЕМАХ

01.04.08 - ФІЗИКА ПЛАЗМИ

АВТОРЕФЕРАТ ДИСЕРТАЦІЇ

НА ЗДОБУТТЯ НАУКОВОГО СТУПЕНЯ

КАНДИДАТА ФІЗИКО-МАТЕМАТИЧНИХ НАУК

Харків – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут”, і в Харківському національного університету ім. В.Н. Каразіна, Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат фізико-математичних наук,

Бізюков Олександр Анатолійович, доцент кафедри фізики плазми фізико-технічного факультету Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук,

П’ятак Олександр Іванович, професор, завідуючій кафедри фізики Харківського автомобільно-дорожнього технічного університету Міністерства освіти і науки України.

кандидат фізико-математичних наук,

Гордієнко Ігор Ярославович, доцент кафедри загальної й експериментальної фізики Української інженерно-педагогічної академії (УІПА) Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа:

Інститут радіофізики і електроніки ім. О.А. Усикова НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 5 ” липня 2001р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.12 Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, .за адресою: 61108, м. Харків-108, пр. Курчатова 31, читальний зал бібліотеки №5.

З дисертацією можна ознайомитись у центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна.

Автореферат розісланий “ 24 ” травня 2001р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, Письменецький С.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Пучки заряджених частинок відносяться до числа об'єктів, що найбільш часто зустрічаються у сучасній науці та техніці. Їх використання захоплює такі галузі науки, як фізика атомного ядра й елементарних частинок, фізика плазми і твердого тіла, радіофізика, біологія, медицина. Питання транспортування пучків заряджених частинок від джерела до об'єкта впливу викликає найбільших труднощів у силу великих енергетичних утрат, що виникають за рахунок цілого ряду нестійкостей, яким піддані потоки заряджених частинок. До найбільш сильних нестійкостей варто віднести аперіодичні нестійкості, що виникають при русі пучків заряджених частинок одного знака у вакуумі. Утрата стійкості такого пучка відбувається при досягненні сили струму пучка деякого граничного значення. Переважна більшість робіт із дослідження стійкості пучків заряджених частинок проводилося без обліку теплового розкиду по швидкостях частинок пучка. У реальних системах, а особливо в плазмі, пучки частинок мають досить велике розмиття по швидкостях, що може бути навіть порівняне з енергією основної кількості частинок пучка. Тому, дослідження стійкості пучків заряджених частинок у подібних умовах є актуальними. Крім того, потоки заряджених частинок одного знаку із широкою функцією розподілу по швидкостях дозволяють моделювати процеси в плазмі. Плазма, що містить заряди одного знака, тобто, що складається тільки з електронів чи іонів, володіє цілoю низкою цікавих властивостей, пов'язаних із її утриманням і рівновагою. Час утримання такої плазми виміряється годинами. За теперішнього часу існує велика потреба в однокомпонентній плазмі, охолодженій до низьких температур, а саме в прискорювальнній техніці, де існує потреба в одержанні пучків заряджених частинок із мінімальним розкидом по швидкостях. Такі ж вимоги пред'являються до пучків електронів, які використовуються у підсилювальних і генераторних приладах НВЧ. В електронних приладах, де вимоги до монохроматичності пучка задовольняють за рахунок підйому його енергії до релятивістських швидкостей, можливе використання низькоенергетичних, попередньо охолоджених, пучків заряджених частинок. Утримання зарядженої плазми здійснюється в пастках, що мають просту циліндричну симетрію: однорідне повздовжнє магнітне поле забезпечує утримання по радіусу, потенціали на спеціальних електродах запобігають виходу уздовж магнітного поля. Але аналіз процесу релаксації утримуваної плазми до рівноважного стану, а також структура її рівноважної функції розподілу по швидкостях показують, що сила, яка обмежує рух частинок уздовж зовнішнього магнітного поля, не обов'язково повинна бути зовнішньою. Вона може бути самоузгодженою і виникати у результаті протікання різних динамічних процесів, що супроводжують, наприклад, дрейф зарядженого потоку у виді розмитого по швидкостях пучка заряджених частинок у магнітному полі. Самоузгоджене утримання частинок, сепарація їх по швидкостях й охолодження є альтернативою традиційним методам. Тому вивчення самоузгодженого утримання частинок у пучково – плазмових системах є актуальним.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок досліджень знаходиться у рамках виконання фундаментальних науково-дослідних робіт:

“Дослідження процесів нелінійної взаємодії хвиль і частинок у пучково-плазмових системах і системах зі схрещеними полями” (номер держреєстрації 0196U002496) – кафедра фізики плазми Харківського держуніверситету, 1997-1999 р.

“Дослідження процесів генерації, прискорення потоків заряджених частинок і формування функціональних покрить у пучково-плазмовому розряді (ППР)” (0197U002452) – кафедра фізики плазми Харківського держуніверситету, 1997-1999 р., що проводилися відповідно до затвердженого плану науково-дослідних робіт і пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки на 1997-1999 р. “Взаємодія електромагнітного випромінювання і потоків заряджених частинок з речовиною” Міністерства освіти України.

“Фундаментальні дослідження плазмово-пучкових систем з метою розробки на їхній основі нових наукомістких технологій” (номер держреєстрації 0100U003293) – кафедра фізики плазми Харківського національного університету, 2000-2002 р., у рамках координаційного плану Міністерства освіти України “Фізика ядерних процесів і ядерно-фізичні методи в енергетиці, радіаційних технологіях і екології”. В усіх перелічених темах дисертант був виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Основною метою роботи є виявлення й з’ясування закономірностей накопичення й утримання зарядженої електронної плазми з використанням інжекції розмитого по повздовжніх швидкостях пучка електронів у дрейфовий канал, що знаходиться в подвздовжньому однорідному магнітному полі, та удосконалення можливостей стимулювання, накопичення й утримання частинок.

Для досягнення цієї мети потрібно було розв’язати такі задачі:

1. Провести експериментальні дослідження умов накопичення й утримання заряджених частинок та зв'язати їх із динамікою електронів у просторі дрейфу та конфігурацією полів і струмів пучка.

2. Дослідити формування вихрових структур у просторі дрейфу розмитого по швидкостях пучка електронів, та коливальні процеси, що супроводжують накопичення й утримання заряджених частинок і з'ясувати їх роль у цих процесах.

3. Дослідити нелінійну стадію коливальних процесів і визначити ступінь їх впливу на викид частинок у напрямку перпендикулярному щодо магнітного поля.

4. Дослідити можливості стимулювання й заглушивання накопичення та утримання заряджених частинок за допомогою зовнішніх впливів на заряджену електронну плазму у просторі дрейфу.

5. Визначити умови оптимізації параметрів зарядженої плазми для існування явищ накопичення, утримання й викиду частинок.

Об'єкт дослідження – процеси утримання електронної плазми у пучково-плазмових системах.

Предмет дослідження – явище формування й динаміка електронних структур у самоузгодженій електростатичній динамічній пастці у пучково-плазмових системах.

Методи дослідження. При проведенні експериментальних досліджень використовувався ряд оригінальних та традиційних апробованих діагностичних методик, що дозволило здобути наведені в дисертації результати. Визначення малих швидкостей проводилося методом струмових зондових вимірів при відомій щільності електронної плазми. Щільність заряджених частинок визначалася по частоті діокотронної моди, а також по резонансній частоті збудження плазмових коливань. Вимір функції розподілу частинок по швидкостях проводився методом затримуючого потенціалу за допомогою набору аналізаторів, що також використовувалися для визначення локалізації електронних потоків. Високочастотні виміри проводилися за допомогою електростатичних і ємнісних зондів. Застосовувалася активна діагностика з впливом на електронну плазму додатковими полями й пучками частинок. Практично всі методики дублювалися, що збільшувало вірогідність здобутих результатів. Проведення модельних розрахунків і порівняння з експериментальними даними дозволило зробити висновки про фізику явищ, що спостерігаються.

Наукова новизна здобутих результатів. Уперше виявлене самоузгоджене накопичення й утримання холодної електронної плазми в просторі дрейфу розмитого по швидкостях пучка електронів в однорідному магнітному полі.

У дисертаційній роботі вперше експериментально показано, що причиною накопичення й утримання частинок у просторі дрейфу розмитого по швидкостях пучка електронів є електростатична динамічна пастка, яка у повздовжньому магнітному полі утворюється за рахунок перешикування руху частинок з аксіального в азимутальний та утворення нестаціонарного віртуального катода.

Уперше досліджено формування вихрових структур у просторі дрейфу розмитого по швидкостях пучка електронів і роль коливальних процесів на накопичення й утримання холодної електронної плазми.

У дисертації вперше експериментально показано, що причиною швидкого викиду частинок із електростатичної динамічної пастки поперек магнітного поля є захоплення цих частинок у поле діокотронної хвилі на нелінійній стадії розвитку діокотронної нестійкості.

Уперше виявлені умови виникнення ефекту самоузгодженого накопичення й утримання електронної плазми в пучково-плазмових системах, а також розроблено методи стимулювання і заглушення накопичення й утримання.

Практичне значення здобутих результатів. Виявлені ефекти самоузгодженого накопичення й утримання заряджених частинок можуть бути основою для створення утримуючих пристроїв, що сепарують частинки по швидкостям, з метою одержання й утримання охолодженої зарядженої плазми. Результати досліджень також можуть бути застосовані для вирішення низки прикладних задач (отримання охолодженої іонної хмари, що використовується як стандарт частоти, накопичення й утримання позитронної й антипротонної плазми). Самоузгоджена система може стати альтернативою відомим способам одержання й утримання холодної плазми.

До можливих застосувань можна віднести одержання пучків заряджених частинок із функцією розподілу, мінімально розмитою по швидкостях, створення генераторів ВЧ і НВЧ коливань із мінімальним рівнем шумів, електронна й іонна мікроскопія, лазери на вільних електронах і т.д. Результати дослідження коливальних процесів можуть бути використані при розробці систем транспортування пучків заряджених частинок і підвищення їхньої ефективності.

Результати дослідження граничного струму надають інформацію розроблювачам пучково-плазмових систем і систем транспортування заряджених частинок і можуть бути використані при розробці технологічних систем.

Результати досліджень стимулювання й заглушивання діокотронних коливань надають інформацію для вирішення питань стійкості потоків заряджених частинок у широкому колі промислових та експериментальних приладів.

Результати дослідження захоплення частинок в електростатичне поле діокотронної хвилі можуть бути використані в області прискорювальної техніки при розробці систем фазування і фокусування.

Особистий внесок здобувача. У роботі [1] здобувач досліджував розподіл діокотронних коливань у просторі дрейфу електронного пучка, а також особливості цих коливань протягом імпульсу інжекції і після його закінчення. У роботі [2] дисертантом розглядався вплив додаткового просторового потенціалу й потенціалу, що прикладається до електродів і створює радіальне електричне поле на час існування електронів після закінчення імпульсу інжекції. У роботах [3, 10] здобувач досліджував, який вплив надають захоплені електрони на діокотронні коливання, що існують у просторі дрейфу електронного пучка, у залежності від локалізації коливань і параметрів інжекції пучка електронів. У роботі [4] здобувач експериментально проаналізував ефект синхронного з частотою модуляційних коливань виходу частинок поперек магнітного поля, що пов'язується з захопленням повільних електронів у поле діокотронної хвилі. У роботах [5, 13] дисертантом проведено аналіз механізму створення електростатичної динамічної пастки в просторі дрейфу розмитого по швидкостях пучка електронів в однорідному магнітному полі. У роботах [6, 12] здобувачем проводилися дослідження посилення діокотронних коливань і захоплення частинок у поле діокотронної хвилі з наступним виходом їх поперек магнітного поля. У роботі [7] дисертантом проаналізована динаміка частинок у просторі дрейфу розмитого по швидкостях пучка електронів, утворення нестаціонарного віртуального катода і подвійного провисання потенціалу. У роботі [8] здобувачем досліджувалася аномалія руху електронів у просторі дрейфу розмитого по швидкостях пучка електронів. У роботі [9] здобувач експериментально досліджував граничний струм для дрейфового простору розмитого по швидкостях пучка електронів і залежності минаючого струму від інжектованого струму. У роботі [11] дисертант брав участь у математичному моделюванні утворення динамічної потенційної ями при інжекції розмитого по швидкостях пучка електронів у простір дрейфу.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації представлялися і доповідалися на конференціях та семінарах:

Всесоюзний семінар “Плазменная электроника” (Харьков, 6-9 сентября 1988г.), 16 European Conference on Controlled Plasma Physics (Venice, March 13-17 1989), 6 Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta, Crimean, Ukraine September 14-20, 1998), International symposium “Plasma-99” Research and applications of plasmas (Warsav, 7-9 July, 1999), 8 Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion, (Alushta, Crimean, September 11-16, 2000).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 6 журнальних статей, а також 7 робіт у матеріалах і тезах конференцій, перелік яких включений у список використаних джерел у заключній частині дисертації.

Структура дисертації. Дисертаційна робота містить вступ, п’ять розділів основного тексту з 28 рисунками, висновки й список використаних літературних джерел із 126 найменувань. Повний обсяг роботи – 145 сторінок, список використаних джерел міститься на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Дисертація складається з вступу, п’яти розділів і висновків.

У вступі викладено сутність і стан наукової проблеми, яка розв’язувалась при виконанні цієї роботи, обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено зв’язок роботи з науковими програмами і темами, розкрито наукову новизну і практичне значення здобутих результатів, відображено особистий внесок здобувача в опубліковані разом із співавторами наукові праці, подано апробацію результатів дисертації, вказано структуру й обсяг дисертаційної роботи. Стисло викладено зміст роботи по розділах.

У першому розділі представлений огляд літератури відповідно до тематики дисертаційної роботи.

У другому розділі надано опис трьох модифікацій експериментальної установки, яка являє собою вакуумну камеру діаметром 20 см і довжиною 200 см, поміщену в постійне повздовжнє магнітне поле напруженістю H = 100 1000 Е. Неоднорідність магнітного поля на довжині простору дрейфу не більше 5. Діапазон робочого тиску складає 10-5 10-7 мм рт. ст. Робочий газ – повітря, аргон. Електронний пучок інжектувався в простір дрейфу, роль якого виконувала латунна труба довжиною 150 см і діаметром 4 см або труба з нержавіючої сталі діаметром 150 см. Латунна труба розрізана уздовж на дві рівні половини і являє собою два сектори з кутовими розмірами 180. Обидва сектори електрично ізольовані друг від друга і від інших елементів установки і служать для діагностичних цілей

( - електроди), а також як осьовий аксіальний електрод, розділений на частини. В усіх модифікаціях установки торці труб дрейфу закриті плоскими сітками. Прозорість сіток - 90 ? 95%.

Наведено описи діагностичних методик, що дозволили провести експериментальні дослідження. Усі методики дублювалися, що збільшувало вірогідність здобутих результатів.

У третьому розділі представлені результати експериментів із виявлення процесів, що призводять до захоплення, накопичення й утримання заряджених частинок в електростатичній динамічній пастці в просторі дрейфу електронного пучка, а також результати вивчення впливу захоплених частинок на динаміку зарядженої плазми у просторі дрейфу в разі інжекції електронного пучка в область дрейфу скрізь градієнт магнітного поля.

У підрозділі 3.1 наведено результати досліджень особливостей проходження частинок через канал дрейфу зі збільшенням струму до критичного значення. Виявлено роль нестаціонарного віртуального катода у формуванні динаміки частинок у просторі дрейфу. При проходженні через вакуумний канал дрейфу у повздовжньому магнітному полі розмитого по швидкостях електронного пучка може спостерігатися явище зриву струму. При цьому величина граничного струму менша, ніж для моноенергетичного пучка. Причиною зриву струму є антикатод, що утворюється в області інжекції пучка в простір дрейфу і зміщується вздовж простору дрейфу зі збільшенням амплітуди імпульсу інжекції. При визначених амплітудах імпульсу інжекції антикатод виявляє нестаціонарність, а після спаду повздовжнього струму до нуля спостерігається його ріст, однак струм до максимального значення не доходить і далі стабілізується на визначеному рівні до закінчення імпульсу інжекції. Отримано також, аномальну залежність струму, що пройшов через простір дрейфу від струму на вході простору дрейфу. Специфічна форма гістерезисної кривої залежності імпульсних струмів, вхідних у простір дрейфу і вихідних з нього, вказує на наявність захоплених частинок і накопичення їх при частоті проходження імпульсів інжекції не менше визначеної. На залежності струмів, вхідних у простір дрейфу і вихідних з нього, спостерігається ділянка, що може бути ідентифікована як ділянка з “негативним опором”, що вказує на накопичення енергії у просторі дрейфу.

У підрозділі 3.2 приведені результати вивчення еволюції функції розподілу частинок по швидкостях із зміною відстані від інжектора електронів для прямого та зворотнього струмів пучка. В усіх режимах роботи повздовжня енергія частинок пучка в центрі камери дрейфу менше енергії частинок, що вилітають з електронної гармати, на 10 - 20 еВ. Це свідчить про велику кількість частинок, що перешикували свій рух з аксіального в азимутальний

Рис. 1. Функції розподілу частинок електронного пучка по швидкостях у трьох точках уздовж магнітного поля, UB = 30 B, H = 1 кЕ, IЕМ = 17 мА.

1) - Z = 10 см, 2) - Z = 40 cм, 3) - Z = 70 см.

На Рис.1 представлені функції розподілу f(U) для інжектуємого пучка в каналі дрейфу, виміряні для трьох відстаней від інжектора електронів.

Функція розподілу частинок по швидкостях має в початковій області простору дрейфу форму з двома максимумами, що з переміщенням частинок по простору дрейфу до середньої частини поступово зливаються в один при перешикуванні траєкторії руху електронів. На основі статистичної обробки великої кількості функцій розподілу частинок по швидкостях для зворотніх струмів побудована залежність швидкості аксіального дрейфу зворотнього потоку частинок від повздовжньої координати. Частинки пучка, що дрейфують і рухаються у зворотньому напрямку, мають енергію кілька електрон-вольтів і їх розподіл уздовж простору дрейфу має максимум у вигляді плато довжиною 60 см у центральній частині простору дрейфу і змінюється пропорційно напруженості магнітного поля.

У підрозділі 3.3 описані виміри просторового потенціалу й залежність розподілу його величини в аксіальному напрямку. Визначено критичний струм переходу від розподілу потенціалу з одним мінімумом до розподілу потенціалу з двома мінімумами. Розподіл потенціалу вздовж простору дрейфу при струмі емісії менш критичного має форму з одним мінімумом, що зі збільшенням амплітуди імпульсу інжекції зміщується від інжектора в напрямку до центру камери дрейфу, а при струмі емісії більше критичного з'являється другий мінімум. Таким чином, у просторі дрейфу при струмі інжекції більш критичного формується електростатична пастка для електронів. Максимум на кривій розподілу дрейфової швидкості частинок відповідає провалу між двома мінімумами на кривій розподілу потенціалу.

У підрозділі 3.4 викладено результати вимірів потоків заряджених частинок у прямому й зворотньому напрямках, а також їх розподілу в радіальному напрямку. Визначено, що зворотний потік є зміщеним у радіальному напрямку щодо прямого і має у своєму русі як аксіальну, так і азимутальну компоненту. Це вказує на вихровий стан руху частинок у просторі дрейфу між двома провисаннями потенціалу.

У підрозділі 3.5 наведені результати спостережень проходження електронного пучка через простір дрейфу за допомогою флуоресцентного екрана. Якісно підтверджується розширення пучка в радіальному напрямку при струмах більше критичних.

У підрозділі 3.6 досліджено вплив накопичення іонів у просторі дрейфу на формування електростатичної пастки. Основний висновок цих досліджень полягає в тому, що при низьких тисках та енергіях електронів іони не грають істотної ролі в явищах, що спостерігаються.

У підрозділі 3.7 проводено обговорення результатів експериментальних досліджень даного розділу.

У четвертому розділі описані результати досліджень коливальних процесів у просторі дрейфу розмитого по швидкостях пучка електронів.

У підрозділі 4.1 вивчалися поперечні коливання електронів за допомогою ємнісних зондів із розвитою поверхнею. Визначено синусоідальність і когерентність коливань і аномально довге їх існування після закінчення імпульсу інжекції. Амплітуда коливань спадає лінійно до характерного викиду частинок у поперечному напрямку і потім коливання не існують. Також визначено, що когерентність зберігається від одного імпульсу інжекції до іншого при визначеній частоті проходження. З ростом амплітуди коливання мають несинусоідальний характер.

Рис. 2. Осцилограми струмів I1 и I2 на - електродах; розгортка 0.05 мс/діл., чутливість 210-6 А/діл., тривалість імпульсу інжекції –370 мкс.

Рис. 3. Осцилограми струмів I1 и I2 на - електродах; розгортка 0.1 мс/діл., чутливість 210-6 А/діл., тривалість імпульсу інжекції –370 мкс.

На Рис.2 і 3 представлені коливання, що реєструються - електродами. Коливання локалізовані на зовнішній поверхні пучка і поширюються у бік азимутального дрейфу електронів у схрещених електричному полі об’ємного заряду електронної плазми і магнітному полі. Коливання мають азимутальну моду L . Умови збудження й параметри вказують на розвиток діокотронної нестійкості електронної плазми в просторі дрейфу.

У підрозділі 4.2 описані дослідження діокотронних коливань у залежності від енергії інжекції електронів. При перевищенні порога по енергії частинок, що інжектуються, спостерігається поява модуляції коливань, періодичність і глибина якої пропорційна енергії інжекції. Коливання можуть мати когерентний або хаотичний характер у залежності від енергії пучка електронів чи струму інжекції, причому існування когерентних коливань відповідає особливості (область з “негативним опором”) на вольт-амперній характеристиці. При максимальній глибині модуляції спостерігався вихід частинок у радіальному напрямку, що супроводжувалося зміною частоти коливань і порушенням синусоідальності коливань при малих амплітудах. У залежності від енергії інжекції електронів когерентні коливання можуть бути промодульовані по амплітуді й частоті, а часи наростання і спаду амплітуди відрізнятися. Зв'язок модуляції діокотронних коливань з дрейфом частинок у радіальному напрямку вказує на нелінійну взаємодію хвиля - частинка з захопленням частинок, що рухаються в азимутальному напрямку, і викидом їх у радіальному напрямку (втрати частинок складають 10% по щільності від основного потоку).

У підрозділі 4.3 приведені результати визначення зони локалізації діокотронних коливань у просторі дрейфу. Область існування коливань займає 30?50% простору дрейфу. Коливання локалізовані в просторі дрейфу в аксіальному напрямку, область локалізації відповідає області наростання і спаду дрейфової швидкості зворотнього потоку частинок, а також електростатичної пастки для електронів на просторовому розподілі потенціалу. Повздовжня швидкість частинок, локалізованих в області електростатичної пастки після закінчення імпульсу інжекції, є VДР 104 см/с, що по порядку величини збігається зі швидкістю азимутального дрейфу частинок, захоплених хвилею при нелінійній взаємодії. Час існування коливань після закінчення імпульса інжекції збільшується від периферії області існування коливань до центру. Зміна декремента загасань коливань в аксіальному напрямку в області існування електростатичної пастки свідчить про наявність електронної зарядженої плазми з широм кутової швидкості.

У підрозділі 4.4 приведені результати дослідження когерентності коливань протягом імпульсу інжекції і наявність їх після закінчення імпульсу інжекції при розміщенні інжектора електронів у середній частині простору дрейфу. Відзначається слабо виражена когерентність і відсутність коливань після закінчення імпульсу інжекції. Результати цих досліджень підтверджують той факт, що виникнення когерентних коливань залежить від наявності електростатичної пастки, що не має місця при інжекції з центральної області. Когерентність коливань пов'язана з перешикуванням аксіального руху частинок в азимутальний й утворенням електростатичної динамічної пастки.

У підрозділі 4.5 приведені результати статистичної обробки осцилограм із метою побудови залежності зміни щільності в часі після закінчення імпульсу інжекції. Виміри проводилися до моменту характерного викиду частинок у радіальному напрямку, що фіксувалося на осцилограмах коливань. Щільність частинок, що залишилися після закінчення імпульсу інжекції, розрахована по частоті діокотронних коливань, спадала по лінійному закону до моменту появи характерного викиду частинок у радіальному напрямку, після чого спад щільності відбувається за експоненціальним законом. По кривих спаду щільності була визначена дрейфова швидкість частинок в аксіальному напрямку (2104см/с). Необхідно відзначити, що підтвердження існування такої швидкості в аксіальному напрямку було отримано також із зондових вимірів.

У підрозділі 4.6 показано, що при зміні граничних умов (збільшенні діаметрів пучка електронів і камери дрейфу і при зміні матеріалу камери дрейфу) час існування частинок після закінчення імпульсу інжекції може бути збільшений на порядок. Час життя захоплених заряджених частинок збільшується зі зменшенням провідності камери дрейфу й збільшенням її діаметра.

У підрозділі 4.7 проводиться обговорення результатів, а також механізмів накопичення й утримання частинок у просторі дрейфу.

У п'ятому розділі розглянуто вплив зовнішніх умов на накопичення й утримання частинок у просторі дрейфу розмитого по швидкостях пучка електронів із метою розробки методик збільшення часу утримання частинок в області електростатичної динамічної пастки.

Було досліджено вплив додаткового заряду в просторі дрейфу (у вигляді імпульсного пучка електронів) і введення додаткових електричних полів як у радіальному, так і в аксіальному напрямках під час утримання частинок. Крім того, досліджено вплив частоти й тривалості проходження імпульсів інжекції з метою підбора оптимальних умов збудження діокотронних коливань з максимальною амплітудою і максимального часу існування електронної плазми після закінчення імпульсу інжекції.

У підрозділі 5.1 проводиться порівняння стимулювання діокотронних коливань за допомогою додаткових електронних пучків різної тривалості. Пучки інжектувались із того ж катода, що й основний пучок, із затримкою щодо закінчення основного імпульсу інжекції. Інжекція додаткового пучка в простір дрейфу після закінчення імпульсу інжекції у момент існування коливань збільшує їхню амплітуду й час існування. Короткочасна інжекція додаткового пучка за часи, які порівнюються з напівперіодом діокотронних коливань, після закінчення імпульсу інжекції, можуть стимулювати чи заглушувати коливання в залежності від фази коливань у момент впливу.

У підрозділі 5.2 описане стимулювання діокотронних коливань за допомогою прикладання імпульсного радіального електричного поля за часи, порівняні з напівперіодом діокотронних коливань. Імпульсний електричний потенціал подавався на - електроди і на аксіальний електрод, розділений на частини. Короткочасне прикладання імпульсного радіального електричного поля за часи порівняні з напівперіодом діокотронних коливань, після закінчення імпульсу інжекції, можуть стимулювати чи заглушувати коливання, в залежності від фази діокотронних коливань у момент впливу.

У підрозділі 5.3 приведені результати досліджень поведінки захоплених частинок із зміною радіального електричного поля в аксіальному напрямку. Імпульсний електричний потенціал подавався на аксіальний електрод, розділений на частини. Наявність негативного радіального електричного поля по всій довжині простору дрейфу знижує поріг виникнення діокотронних коливань по струму інжекції і стимулює їх збудження. Внесення додаткового радіального негативного потенціалу в область локалізації захоплених електронів збільшує час їх утримання.

По цих трьох підрозділах можна зробити висновок про можливість стимулювання діокотронних коливань і збільшення часу утримання електронної плазми радіальним електричним полем.

У підрозділі 5.4 розглядалися можливості зв'язку коливальних процесів в окремих згустках електронів, що відповідають імпульсам інжекції. При збільшенні частоти проходження вище граничної, зумовленої тривалістю існування коливань після закінчення імпульсу інжекції, коливання в згустках стають когерентними й зв'язаними по фазі, чим підтверджується наявність малого розкиду по швидкостях у потоці частинок, що є середовищем для виникнення й існування діокотронних коливань. Збільшення частоти проходження імпульсів інжекції електронів викликає ріст амплітуди і частоти діокотронних коливань , а також часу їхнього існування після закінчення імпульсу інжекції.

У підрозділі 5.5 описані дослідження залежності амплітуди, частоти й тривалості коливань, що існують після закінчення імпульсу інжекції, від його тривалості. Показано нелінійний ріст усіх трьох параметрів, починаючи з тривалості імпульсу інжекції 100 мкс і насичення росту при тривалості в 2 - 5 мс. Такий ріст перерахованих параметрів підтверджує накопичення частинок і формування електронної структури за визначений час інжекції розмитого по швидкостях електронного пучка в простір дрейфу.

У підрозділі 5.6 проводиться обговорення результатів експериментів, описаних у п'ятому розділі, а також механізмів, що пояснюють природу накопичення й утримання частинок у просторі дрейфу.

У висновках сформульовано наукову проблему, що розв’язувалась і наведено основні наукові результати роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведене нове розв'язання наукової проблеми накопичення й утримання холодної зарядженої електронної плазми в пучково-плазмових системах. Експериментальні дослідження цих явищ, які містять формування й динаміку електронних структур у самоузгодженій електростатичній динамічній пастці у пучково-плазмових системах, проведено за допомогою апробованих активних та пасивних діагностичних методик. Результати вивчення самоузгодженого утримання частинок у пучково – плазмових системах дають можливість здобути важливу інформацію з утримання та охолодження зарядженої плазми і є актуальними.

Основні наукові висновки дисертаційної роботи :

1. При інжекції розмитого по швидкостях пучка електронів у простір дрейфу, суміщений з повздовжнім магнітним полем, відбувається перешикування напрямку руху групи частинок, що починають рухатися в азимутальному напрямку, утративши свою аксіальну швидкість. Таке перешикування сприяє виникненню провисання просторового потенціалу, появі нестаціонарного віртуального катода і зворотнього потоку електронів. Зворотний потік трансформує функцію розподілу, яка отримує другий максимум, що призводить до утворення другого провисання потенціалу, що розташовується далі у просторі дрейфу в аксіальному напрямку. У результаті цих процесів за час, що відповідає фронту наростання струму інжекції, утворюється електростатична динамічна пастка між двома провисаннями потенціалу, у яку захоплюються електрони. Захоплення відбувається при параметрах інжекції, що відповідають особливості на вольт - амперній характеристиці. Захоплені частинки знаходяться у вихровому русі в області простору дрейфу, розміри якого відповідають електростатичної пастки, що утворилася. Після закінчення імпульсу інжекції захоплені електрони повільно перешиковують свій рух із азимутального в аксіальний і, якщо частота проходження імпульсів інжекції така, що черговий імпульс інжекції частинок накладається на захоплені електрони, відбувається їх накопичення.

2. Існуючі когерентні діокотронні коливання з модою L = 1 у просторі дрейфу розмитого по швидкостях пучка електронів є результатом накопичення й утримання холодної електронної плазми, у виді вихрової електронної структури, в області простору дрейфу, що відповідає розташуванню електростатичної пастки,. Когерентні коливання виникають у просторі дрейфу через проміжок часу не менш 100 мкс. При виході частинок, прискорених діокотронної хвилею в радіальному напрямку, зменшується щільність захоплених частинок на 10%, але через проміжок часу ~ 100 мкс щільність відновлюється. За такий час пастка поповнюється холодними частинками. Коливання існують аномально довго після закінчення імпульсу інжекції, демонструючи цим час утримання електронної плазми.

3. Зовнішнє радіальне електричне поле стимулює азимутальний рух, що є переважаючим в електронній самоузгодженій структурі, утвореній у процесі виникнення подвійного провисання потенціалу, а також захоплення й утримання частинок в електростатичній динамічній пастці, утвореній цими провисаннями потенціалів. Поки електронна структура існує після закінчення імпульсу інжекції, вплив на неї радіальним електричним полем дозволяє, змінюючи параметр обертання частинок, збільшувати час її існування в схрещених полях.

4. Щільність захоплених заряджених частинок залежить від тривалості імпульсу інжекції. Час життя захоплених частинок і розміри електростатичной динамічной пастки в аксіальному напрямку залежать від граничних умов (відстані до стінки камери й провідності камери дрейфу).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

Тарасов І.К. Формування і динаміка електронних структур у пучково-плазмових системах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.08 - фізика плазми.-Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2001.

Дисертація присвячена питанням накопічення та утримання охолодженої зарядженої електронної плазми в пучково-плазмових системах при інжекції розмитого по швидкостях пучка електронів у дрейфовий канал, що знаходиться в повздовжньому однорідному магнітному полі. Для дослідження цих явищ застосовані загальновідомі в фізиці плазми пасивні й активні діагностичні методики. Це дозволили знайти явище формування електронних вихрових структур і провести дослідження їх динаміки у самоузгодженій електростатичній динамічній пастці у пучково-плазмових системах. Результати вивчення дають інформацію з накопічення та утримання охолодженої зарядженої плазми і можуть стати альтернативою відомим засобам одержання й утримання холодної плазми. Результати дослідження коливальних процесів можуть бути використані в області прискорювальної техніки при розробці систем транспортування пучків заряджених частинок, систем фазування і фокусування, при розробці технологічних систем.

Ключові слова: пучково-плазмова система, дрейфовий канал, електронна вихрова структура, електростатична динамічна пастка, заряджена плазма.

Tarasov I.K. Formation and dynamics of electron structures in beam plasma systems. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of science in physics and mathematics by speciality 01.04.08 – plasma physics. - Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, 2001.

The thesis is devoted to problems of accumulation and confinement of pure electron plasma in beam - plasma systems during injection of electron beam which has velocity spread into a drift channel located in a longitudinal homogeneous magnetic field. To study of these phenomena the well-known in a plasma physics passive and active diagnostic methods were utilized . The phenomenon of formation of electron vortex structure in the self-consistent electrostatic dynamic trap in the beam-plasma systems was found and its dynamics was investigated. Analysis of this phenomenon gives the information on trapping, accumulation, confinement and cooling of non-neutral plasma which can be used to develop alternative ways of obtaining and confinement of cold plasma. The results obtained for the oscillation processes can be used in accelerating techniques with development of charged particle transport systems, phasing and focusing systems and technological systems development.

Key words: beam-plasma systems, drift channel, electron vortex structure, electrostatic dynamic trap, non-neutral plasma.

Тарасов И.К Формирование и динамика электронных структур в пучково - плазменных системах. - Рукопись.

Диссертация на соискание учeной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.08 - физика плазмы. - Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2001.

В диссертационной работе представлено новое решение научной проблемы накопления и удержания холодной заряженной электронной плазмы в пучково – плазменных системах. Экспериментальные исследования явлений формирования и динамики электронных структур в самосогласованной электростатической динамической ловушке, в пучково – плазменных системах, проведены с помощью апробированных активных и пассивных диагностических методик. Результаты изучения самосогласованного удержания частиц в пучково – плазменных системах дают возможность получить важную информацию по удержанию и охлаждению заряженной плазмы и являются актуальными.

При инжекции размытого по скоростям пучка электронов в пространство дрейфа, совмещенное с продольным магнитным полем, происходит перестройка движения группы частиц, которые, утратив свою аксиальную скорость, начинают двигаться в азимутальном направлении.

Такая перестройка способствует возникновению провисания пространственного потенциала, появлению нестационарного виртуального катода и обратного потока электронов. При этом происходит трансформация функции распределения с возникновением на ней второго максимума. Это приводит к образованию второго провисания потенциала, смещенного относительно первого в аксиальном направлении. В результате этих процессов за время, равное фронту нарастания импульса тока инжекции, между двумя провисаниями потенциала возникает электростатическая динамическая ловушка захватывающаяя электроны. Захват происходит при параметрах инжекции, соответствующих особенности на вольт - амперной характеристике. Захваченные частицы находятся в вихревом движении в области пространства дрейфа,