Фундаментальные исследования нелокальных процессов в

Реферат-презентация работы
"ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛОКАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДАХ В ПЛОТНЫХ ГАЗАХ И СОЗДАНИЕ УСТРОЙСТВ
ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ"
Выдвигающая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение
науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Авторский коллектив:
1. Василяк Леонид Михайлович, д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник,
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт
высоких температур РАН, г. Москва, - руководитель работы.
2. Амиров Равиль Хабибулович, д.ф.-м.н., ученый секретарь, Федеральное государственное
бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур РАН, г.
Москва.
3. Бабич Леонид Петрович, д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник, Российский
федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт
экспериментальной физики, г. Саров.
4. Бохан Петр Артемович, д.ф.-м.н., главный научный сотрудник, Федеральное
государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников
имени А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН.
5. Бочков Виктор Дмитриевич, к.т.н., директор ООО "Импульсные технологии", г. Рязань.
6. Закревский Дмитрий Эдуардович, к.ф.-м.н., заведующий лабораторией, Федеральное
государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников
имени А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН.
7. Куцык Игорь Михайлович, д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник, Российский
федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт
экспериментальной физики, г. Саров.
8. Лойко Татьяна Васильевна, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, Российский
федеральный ядерный центр - Всероссийский научно–исследовательский институт
экспериментальной физики, г. Саров.
9. Самойлов Игорь Сергеевич, к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник, Федеральное
государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких
температур РАН, г. Москва.
10.
Яландин Михаил Иванович, член-корреспондент РАН, д.т.н., главный научный
сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт
электрофизики Уральского отделения РАН.
1
Для решения научных и технических задач импульсной энергетики гражданского и
оборонного характера, связанных с созданием генераторов интенсивных импульсных
проникающих излучений, электронных пучков, высоковольтных импульсов и новых
типов коммутаторов в наносекундном и пикосекундном диапазонах длительностей
авторами выполнены пионерские исследования и развито новое направление в физике
плазмы и электрофизике - электрические разряды в плотных газах, динамика которых
определяется нелокальными процессами, приводящими к генерации интенсивных
потоков убегающих электронов (УЭ) высоких энергий и вторичных проникающих
излучений. Эффект генерации УЭ в плотных газах признан мировым сообществом
благодаря достигнутым авторами успехам в развитии физических основ и новых
технических применений.
I. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. Обнаружено, что для развития
нелокальных процессов с генерацией УЭ необходимо сильное импульсное электрическое
поле (для воздуха более 27 МВ/м при 1 атм) с субнаносекундным временем нарастания.
Разработаны принципы и создана техника генерирования импульсных потоков УЭ в
газах в пикосекундном диапазоне. Обнаружен новый механизм электрического пробоя
в виде субсветовых слабозатухающих волн ионизации (Рис.1), во фронте которых
генерируются релятивистские УЭ с токами до нескольких кА (Рис.2). Обнаружено, что
энергия УЭ может превышать амплитуду напряжения во фронте волны ионизации.
Разработана нелокальная модель электрического пробоя с участием УЭ, которые
приводят к субсветовой скорости ионизационных фронтов при слабом нагреве плазмы. В
созданном крупномасштабном устройстве мегавольтного диапазона впервые
получены лавины релятивистских УЭ в воздухе. Разработан уникальный
широкоапертурный спектрометр для их изучения. Установлены механизмы генерации,
рассчитаны спектры и плотности потоков релятивистских УЭ, импульсов жесткого γизлучения (Рис.3) и нейтронов в грозовой атмосфере, которые могут восприниматься
системами слежения как следствие несанкционированных ядерных взрывов, и
представляющие опасность для электронного оборудования и людей в авиалайнерах. На
основе этих исследований было сделано заключение о нецелесообразности создания
космической системы слежения за несанкционированными ядерными взрывами, способной
различать импульсы грозовых излучений, что позволило избежать развертывания такой
программы в РФ стоимостью более 1 миллиарда долларов США.
2
Впервые получены направляемые лазерным лучом длинные (4 м) разряды в воздухе
(Рис.4) для создания плазменных
пространственных структур в открытой
атмосфере,
плазменных
антенн,
обоснована возможность создания на их основе активных систем молниезащиты.
Исследованы процессы релаксации в молекулярных газах, инициируемые
наносекундными разрядами, динамика которых определяется сильно нелокальными
процессами. Обнаружена задержка распада неидеальной ионной плазмы элегаза и фтора в
раннем послесвечении, что важно для создания мощных коммутаторов и химических
лазеров; реализован эффективный способ получения конденсированного озона при
криогенных температурах; исследована конверсия оксидов азота и серы, и органических
компонентов с целью создания эффективных плазмохимических реакторов, в том числе для
удаления токсичных компонент из газов и деконтаминации воздуха.
Обнаружен новый тип разряда с положительной обратной связью, так
называемый "открытый разряд", в котором на катоде под воздействием резонансного
излучения рабочего газа образуются электроны, которые ускоряются в коротком разрядном
промежутке и уходят через сетчатый анод в открытое пространство, где они возбуждают
рабочий газ, и возникающее резонансное излучение порождает новые фотоэлектроны на
катоде. Предложены оригинальные конфигурации "открытых" разрядов и на их основе
созданы новые типы генераторов электронных пучков, коммутаторов и газовых лазеров.
II. РАЗРАБОТАННЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ.
Генераторы и системы диагностики наносекундных импульсов напряжения
амплитудой сотни кВ с частотой повторения до 1 кГц, применяемые в том числе, в
качестве драйверов пикосекундных генераторов.
Генераторы высоковольтных пикосекундных импульсов, в том числе, “слайсеры”,
с амплитудами 100-240 кВ и длительностью 200-400 пс (Рис.5), генераторы электронных
пучков и импульсов рентгеновского излучения пикосекундной длительности до 50 пс
(Рис.6), в том числе с ленточным пучком (Рис.7).
Пикосекундная электроника больших мощностей есть область электрофизики с
приоритетом российских ученых.
3
Газоразрядный источник наносекундных импульсов DT нейтронов (14 МэВ) с
потоком 1015 с-1, длительностью 2.5 нс, с ресурсом 103 импульсов для калибровки
детекторов проникающих излучений и импульсов нейтронов ядерного взрыва. Для этого
источника отсутствует проблема ограничения срока хранения, обусловленного “гелиевым
отравлением”, характерным недостатком вакуумных нейтронных трубок.
Воздушная наносекундная рентгеновская трубка с объемной генерацией
излучения в газе, работающая с высоким кпд в области давлений десятки Торр.
Источник ультразвуковых колебаний, возбуждаемых в твердых телах разрядом в
открытой атмосфере, развивающимся в режиме генерации УЭ для целей дистанционной
неразрушающей дефектоскопии. Не уступая по своей эффективности источникам на основе
ускорителя электронов, газоразрядный источник проще в
реализации и свободен от радиационных ограничений.
Плазменные экраны на основе волны ионизации для
быстрого, за десятки наносекунд, экранирования оборудования от
внешнего СВЧ излучения (Рис.8).
Генераторы электронных пучков наносекундной
длительности
на
основе
"открытого"
разряда
с
эффективностью близкой к 100%, с энергией электронов десятки
кэВ, плотностью тока свыше 1 кА/см2 и током десятки кА.
Газовые лазеры с накачкой УЭ в "открытом" разряде,
эффективность которых значительно выше, чем при газоразрядном возбуждении.
Коммутаторы с УЭ на основе "открытого" разряда с временем коммутации менее
400 пс при напряжении до 20 кВ и токе до 26 кА. Коммутаторы работоспособны до частот
следования десятки кГц, и использованы в лазерах на самоограниченных переходах.
Газоразрядные коммутаторы нового поколения - тиратроны ТПИ- и ТДИ-типа
(84 модификации) (Рис.9) нано- и микросекундного диапазона при рабочих напряжениях до
150 кВ, токах до 300 кА, импульсной мощности до 400 МВт и джиттером менее 400 пс.
Коммутаторы отличаются высокой скоростью
коммутации тока - 120 кА за 50 нс, временем
восстановления менее 1 мкс при токе 10 кА и
напряжении 30 кВ. Они защищены патентами РФ
и США, выпускаются серийно и благодаря
уникальным характеристикам конкурентоспособны на мировом рынке. Область применения
- компонентная база для мощной импульсной энергетики, ускорительной техники,
электрофизической аппаратуры, импульсных ускорителей и термоядерных коллайдеров
(Рис.10-13) в РФ, США (Tri-Alpha Energy, MSNW LLC, Hellion Energy), Канаде (General
Fusion), Китае (Chinese Academy of Engineering Physics, University of Science and Technology
of China). В 2007-2014 годах экспорт коммутаторов в США, Канаду, и др. составлял 60-80%
от объема производства.
4