Анотація до роботи:

Пономарьов А.Г. “Генерація акустичних коливань сильнострумовими релятивістськими електронними пучками”. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.20 – фізика пучків заряджених частинок. – Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», Харків, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню процесу генерації акустичного випромінювання при взаємодії сильнострумових релятивістських електронних пучків (РЕП) мікросекундної тривалості з твердотільними мішенями.

Розглянуто шляхи підвищення параметрів сильнострумових РЕП, які використовуються для генерації. Запропоновано новий радіаційно-акустичний спосіб визначення геометричних параметрів пучків іонізуючих частинок. Розроблені конструкції металевих мішеней, що оптимальні для генерації певного типу коливань. Отримано акустичні коливання в широкому частотному діапазоні.

Проведено теоретичний аналіз та експериментальне дослідження параметричного підсилення звукових коливань. Наведено результати по підсиленню низькочастотних коливань при створенні умов параметричного резонансу в магнітній рідині. Представлено концепцію отримання акустичного випромінювання і проведено експериментальну перевірку її складових елементів.

У дисертації викладено результати досліджень процесу взаємодії сильнострумових релятивістських електронних пучків з конденсованими середовищами, що мають місце в порівняно новому її напрямі. Орієнтовані на задачі отримання акустичного випромінювання проведені дослідження були присвячені генерації акустичних коливань при опромінюванні металевих мішеней сильнострумовими РЕП мікросекундної тривалості. Велике значення було приділене з’ясовуванню фізичних закономірностей формування, прискорення і транспортування пучків, які використовуються для здійснення акустичної генерації. Особливе значення має отримане в роботі експериментальне підтвердження можливості параметричного підсилення низькочастотних звукових коливань за допомогою магнітної рідини. На основі проведених досліджень згідно розробленій концепції, що заснована на нових фізичних принципах, була вирішена задача отримання акустичного випромінювання. Одержані в роботі наукові і практичні результати дозволяють зробити наступні висновки:

1. Сильнострумовий РЕП мікросекундної тривалості є потужним динамічним ударником, що викликає генерацію акустичного випромінювання в металевих мішенях. В залежності від параметрів пучка і мішеней збудження звуку відбувається за різними механізмами, що приводить до випромінювання акустичних сигналів в широкому частотному діапазоні. Це дозволяє використовувати такий пучок для ефективного збудження металевих випромінюючих мембран в звукових генераторах. В роботі були отримані ультразвукові f = (60…70) кГц і звукові низькочастотні f = (300…1250) Гц коливання та поодинокі акустичні імпульси тривалістю t = (5…200) мкс.

2. Генерація сильнострумових РЕП високої якості ефективно здійснюється в магнітоізольованому діоді із «зверненим» магнітним полем, в якому за рахунок зменшення збігу електронів і формуванню трубчастого пучка з тонкою стінкою в умовах сильної магнітної компресії в кілька разів підвищуються густина струму і струм пучка, що транспортується до мішені. Формування такого пучка є необхідною умовою для отримання акустичних коливань з потрібними характеристиками. В роботі був отриманий трубчастий РЕП з такими параметрами: енергія до 0.6 МеВ, струм до 5 кА, тривалість імпульсу струму по основі ~ 10 мкс, густина струму на мішені до 4 кА/см², товщина стінки ~ 1 мм і коефіцієнт корисної дії понад 80%.

3. Генерація ультразвукових коливань найбільш ефективно здійснюється при опромінюванні пласких дискових металевих мішеней трубчастим сильнострумовим РЕП. Порівняно з суцільним пучком з такою ж запасеною енергією, амплітуда збуджуваних коливань в кілька разів більша, за рахунок більш високої густини струму на поверхні мішені і фокусуванню коливань на вісі пучка. Для суцільних пучків розподіл по поверхні мішені амплітуди збуджених ультразвукових коливань повторює розподіл густини струму в пучку.

4. Опромінення стержневих мішеней призводить до генерації поодиноких звукових імпульсів, тривалість яких визначається тривалістю імпульсу струму і довжиною зони опромінювання, і в роботі складала від 5 мкс для трубчастих пучків до 20 мкс для суцільних. Застосування акустичної затримки є ефективний спосіб подовження імпульсів. Це дозволяє отримувати поодинокі акустичні імпульси в широкому інтервалі тривалості t = (5…200) мкс.

5. Опромінення пласких мішеней суцільними сильнострумовими РЕП мікросекундної тривалості з густиною струму пучка до 200 А/см² викликає сильну термічну деформацію поверхні, яка посилюється дією імпульсу віддачі газоплазмового факелу. Після припинення імпульсу струму мішень розвантажується і починає коливатися на власних частотах. В цьому випадку відбувається одночасне випромінювання низькочастотних і ультразвукових коливань. Показано, що застосуванням комбінованих мішеней «стержні-пластина», можна повністю пригнітити генерацію ультразвукових коливань і отримати низькочастотні коливання без ультразвукового наповнення.

6. Експериментально підтверджені проведені розрахунки щодо можливості підсилення акустичних коливань за рахунок параметричного ефекту в магнітній рідині. При створенні за допомогою зовнішнього магнітного поля в магнітній рідині умов параметричного резонансу, підсилення амплітуди коливань на частоті ~ 50 Гц склало від 3 до 12 разів. Цей результат може бути використаний при створенні звукових генераторів і підсилювачів, в яких на відміну від існуючих здійснюється пряме підсилення низькочастотних звукових коливань.

7. В результаті проведених досліджень запропоновано концепцію отримання акустичного випромінювання, що заснована на нових фізичних принципах. Згідно цієї концепції генерація акустичних коливань здійснюється при опроміненні сильнострумовими РЕП мікросекундної тривалості металевих мішеней, що мають складну стержневу структуру. При виконанні умов параметричного резонансу здійснюється підсилення коливань, що проходять в магнітній рідині. Для реалізації даної концепції необхідними складовими є формування сильнострумового РЕП з потрібними параметрами, створення мішеней спеціальної форми для генерації звукових сигналів визначеного типу, забезпечення здійснення умов параметричного резонансу в магнітній рідині. В дисертаційній роботі проведено розгляд і експериментальне дослідження умов, що забезпечують успішну реалізацію запропонованої концепції.

Публікації автора:

1. Deryuga V.A., Kalinichenko A.I., Popov G.F., Ponomarev A.G., Uvarov V.V. Excitation of Acoustic Oscillation by Destructive Electron Impact on Polycrystalline Metal Targets // Вісник Харківського університету. Серія фізична «Ядра, частинки, поля». – 1999. – № 453. – В. 3. – C. 28-32.

2. Клепиков В.Ф., Пономарев А.Г. Скачек Г.В., Толстолуцкий А.Г., Уваров В.В. Особенности воздействия сильноточных трубчатых релятивистских пучков на твердое тело // Вісник Харківського університету. Серія фізична «Ядра, частинки, поля». – 2000. – № 469. – В 1, С. 56-60.

3. Егоров А.М., Клепиков В.Ф., Пономарев А.Г., Толстолуцкий А.Г., Уваров В.В., Уваров В.Т. Оптическая диагностика коллекторной плазмы. // Вісник Харківського університету. Серія фізична «Ядра, частинки, поля». – № 510. – В.1(13). – 2001. – С. 62-66.

4. Балакирев В.А., Егоров А.М., Пономарев А.Г., Рак О.Л., Уваров В.Т. Параметрическое усиление акустических колебаний в магнитной жидкости // Доповіді НАН України, сер. «Математика, природознавство, технічні науки». – 2003. – № 2. – С. 78-84.

5. А.с. 1538715 СССР МКИ G 01 T 1/29. Измеритель параметров пучков заряженных частиц / Калиниченко А.И., Пономарев А.Г., Попов Г.Ф., Шкилев А.Л. (СССР). – № 4401524/40-25; Заявлено 04.04.88; Опубликовано 30.04.91, БИ № 16. – 5 с.

6. Уваров В.Т., Ткач Ю.В., Гадецкий Н.П., Скачек Г.В., Пономарев А.Г., Кившик В.Ф., Гапоненко Н.И., Козачек А.С., Прасол Е.А. Получение сильноточных пучков микросекундной длительности с высоким К.П.Д. – М.: ЦНИИатоминформ. – 1984. – 13 с. (Препр. / ХФТИ; 84-30).

7. Ткач Ю.В., Уваров В.Т., Гадецкий Н.П., Пономарев А.Г., Гапоненко Н.И., Скачек Г.В., Лемберг Е.А. Исследование сильноточного диода с магнитной изоляцией микросекундной длительности // Тезисы доклада на VIII Всесоюзном семинаре по линейным ускорителям (июнь 1983, Харьков). – ВАНТ. – 1983. – С. 107.

8. Уваров В.Т., Ткач Ю.В., Гадецкий Н.П., Скачек Г.В., Пономарев А.Г. Гапоненко Н.И., Кившик В.Ф., Козачек А.С. Высокоэффективный сильноточный диод микросекундной длительности // В кн.: Тезисы докладов на V Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике. Ч.1. – Томск. – 1984. – С. 106-108.

9. Уваров В.Т., Ткач Ю.В., Толстолуцкий А.Г., Скачек Г.В., Пономарев А.Г., Поддубко Н.С. Увеличение плотности тока и яркости сильноточного трубчатого РЭП магнитной компрессией // Тезисы доклада на Всесоюзном семинаре «Плазменная электроника». – Харьков. – 1988. – С. 106-107.

10. Егоров А.М., Пономарев А.Г., Рак О.Л., Уваров В.Т. Возбуждение гидроакустических колебаний импульсными сильноточными релятивистскими электронными пучками. // Тезисы доклада на V Международной научной школе-семинаре «Импульсные процессы в механике сплошных сред». – Николаев. – 2003. – С. 106-107.