Коляда Юрiй Івгенович. Потужнi мiкросекунднi пучки заряджених частинок i µх взаімодiя з плазмою i конденсованими середовищами : Дис... д-ра наук: 01.04.20 - 2003.
Анотація до роботи:
Коляда Ю.Є. Потужнімікросекундні пучки заряджених частинок і їх взаємодія з плазмою і конденсованими середовищами. - Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук за фахом 01.04.20.-фізика пучків заряджених частинок. - Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», Харків, 2003.
Дисертація присвячена проблемі підвищення параметрів потужних мікросекундних електронних і іонних пучків: тривалості імпульсу, струму і енергії. Експериментально показано, що збільшення параметрів іонних пучків можливе при формуванні і прискоренні їх у плазмі індукційними електричними полями з використанням магнітного поля гострокутної геометрії - магнітного «каспу». В електронних прискорювачах прямої дії важливим є питання узгодження розряду генератора імпульсних напруг на нелінійне навантаження - вакуумний діод з холодним вибуховоемісійним катодом. Показано, що існує вузький діапазон параметрів джерела живлення і вакуумного діода, при яких можлива ефективна передача енергії від джерела в енергію пучка.
Крім того, встановлено ряд нових ефектів і закономірностей при взаємодії вказаних пучків з плазмою, твердим тілом і рідиною. Зокрема показано, що позитивно заряджені краплі можуть сприяти збудженню нових ектонів у сильнострумовому вакуумному розряді. Зареєстровано формування сильнострумового електронного мікросекундного пучка в каналі потужного дугового розряду атмосферного тиску в результаті впливу додаткового імпульсу високої напруги. Експериментально підтверджені основні положення теорії тривимірної релаксації електронних і іонних пучків у плазмі. Ідентифіковані типи коливань, які приводять до тривимірної релаксації – косі плазмові коливання. Здійснено збудження акустичних структур – резонаторів і хвилеводів пучками заряджених частинок, встановлені механізми їх збудження. Запропоновано новий спосіб генерування інтенсивних низькочастотних гідроакустичних імпульсів, які ґрунтуються на інжекції потужних потоків заряджених частинок у рідину.
В дисертації з’ясовано нові фізичні закономірності формування та прискорення потужних мікросекундних електронних та іонних пучків, що дозволило вирішити проблему подальшого покращення їх параметрів: тривалості імпульсу, струму та енергії. Окрім того, експериментально підтверджені основні положення теорії тривимірної релаксації пучків заряджених частинок при їх взаємодії з плазмою, вперше здійснено збудження акустичних структур - хвилеводів і резонаторів пучками заряджених частинок та гідроакустичних коливань при інжекції потужних потоків заряджених частинок у рідину. Встановлено фізичні механізми їх збудження та запропоновано практичні рекомендації з приводу використання цих явищ.
Основні результати, які одержані в ході роботи над дисертацією, зводяться до наступних:
1. Вперше експериментально вивчені фізичні закономірності прискорення компенсованих сильнострумових іонних пучків у плазмі індукційними електричними полями. З’ясовано, що формування та прискорення пучків іонів відбувається в області неоднорідності аксіального магнітного поля. Найбільш ефективним виявляється створення магнітного “каспу”—поля, що утворюється зустрічним вмиканням двох сусідніх котушок. Прискорення має місце у випадку формування еквіпотенціалей, тобто, коли електронна компонента плазми вморожена в магнітні силові лінії, а ларморовський іонний радіус значно перевищує поперечний розмір прискорюючої камери. Як наслідок, в одиничному прискорюючому проміжку вдалося одержати пучки іонів аргону, гелію та водню з параметрами: енергією до 100кеВ, струмом до 4кА та тривалістю імпульсу біля основи до 1мкс. Ці параметри були граничними для мікросекундних іонних пучків на момент їх одержання.
Сполучення магнітних “каспів” в плазмі та індукційного електричного поля дозволяє здійснювати нарощування ідентичних прискорюючих проміжків та відкриває можливість створення сильнострумового плазмового індукційного прискорювача іонів з енергією до кількох МеВ. Запропоновано концептуальний проект такого прискорювача. Розроблено математичну модель прискорюючої секції індукційного прискорювача, в якій враховані всі основні характеристики феромагнітного індуктора, а також вплив струму пучка на процес формування імпульсу прискорюючої напруги, чисельно розв’язана самоузгоджена задача. Запропонована модель дозволила розрахувати форму імпульсу струму та напруги з урахуванням конкретних параметрів прискорювача, що проектується.
Досліджено фізичні процеси та фактори, які впливають на параметри потужного електронного пучка, який формується в прискорювачі прямої дії. З’ясовано, що найбільш істотним є процес узгодження роботи ГІНа на нелінійне навантаження—вакуумний діод з холодним вибухоемісійним катодом. При цьому існує вузький діапазон параметрів діода і ГІНа, в якому можлива ефективна передача накопиченої електричної енергії в енергію електронного пучка. Необхідний діапазон параметрів для прискорювача, що досліджується, з’ясовано експериментально, а також запропоновано математичну модель для його визначення. Це дало змогу одержати максимальні параметри пучка для тих часів: з амплітудою струму 12.103А, енергією 1,2.106 еВ, тривалістю імпульсу біля основи 15 мкс. Енергія, що переносилась пучком, досягла 100кДж.
Експериментально та методом чисельного моделювання з’ясовано роль крапельної фракції в ході розвитку сильнострумового мікросекундного розряду у вакуумному діоді. Проведено вимірювання функції розподілу частинок в залежності від їх діаметру. З’ясовано, що мікрочастинки мають характерний розмір порядку довжини вільного пробігу електронів-фермі у металі. Краплі, що розлітаються, можуть набувати позитивного заряду. Взаємодія позитивно зарядженої краплі з поверхнею катода в сильному зовнішньому полі призводить до зміни енергетичної структури системи катод-крапля, деформації потенціального бар’єру та полегшенню виходу електронів із катоду. Струм автоелектронної емісії при цьому досягає 1011-1012 А/м2, що може сприяти виникненню нових ектонів. Таким чином, крапельна фракція грає активну роль у підтриманні потужного вакуумного розряду в мікросекундному діапазоні імпульсів.
Вперше в каналі потужного дугового розряду, в результаті дії додаткового імпульсу високої напруги в міжелектродному проміжку, зареєстровано формування сильнострумового електронного мікросекундного пучка. Розряд ініційовано при атмосферному тиску всередині простору, який обмежений вузьким діелектричним каналом. Прискорення відбувається за рахунок явища втікання електронів, коли електрична сила, що прискорює електрони, перевищує силу тертя, обумовлену іонізаційними втратами у речовині. Пучки заряджених частинок, які одержано без застосування засобів вакуумної відкачки, є більш технологічними при модифікації поверхневих властивостей матеріалів, накачки газових лазерів.
Вперше експериментально підтверджені основні положення теорії тривимірної релаксації електронних та іонних пучків у плазмі. Ідентифіковано різновиди коливань, які обумовлюють тривимірну релаксацію - косі плазмові коливання. При проведенні дослідів із електронним пучком для ідентифікації коливань були створені умови, при яких збуджувалась лише одна вітка - косий іонний звук. Цього вдалося досягти при інжекції електронного пучка в гарячу плазму, для випадку . Відмічена дифузія функції розподілу електронів пучка як по поздовжнім, так і поперечним швидкостям. Одержані результати узгоджуються з теорією тривимірної релаксації пучків заряджених частинок при їх взаємодії з плазмою.
Вперше вивчена взаємодія сильнострумового іонного пучка з щільною плазмою. Зареєстровано інтенсивний розвиток іонного пучково-плазмового розряду за цих умов. Якщо для швидкості частинок пучка та швидкості звукових коливань виконується співвідношення , то відбувається збудження косого іонного звуку, як наслідок цього, реєструється гальмування початкового моноенергетичного пучка та його кутове розсіяння. Це свідчить про те, що збудження косих коливань в плазмі призводить до тривимірної релаксації також для випадку сильнострумового іонного пучка.
Вперше експериментально здійснено збудження акустичних структур—резонаторів та хвилеводів пучками заряджених частинок. Протонним пучком з енергією 5МеВ, струмом до 20мА, тривалістю імпульсу 5—20мкс збуджено гармонічні хвилі в акустичному хвилеводі. Збудження здійснювалось за рахунок термопружного механізму. З’ясовано, що характер та частота коливань, що збуджувались, визначаються коливальними властивостями самої системи—геометричними розмірами хвилеводу. Якщо тривалість вимушуючої сили (тривалість пучка) значно менша за період власних коливань системи, то збуджуються нормальні коливання на надкритичних частотах. Фазова швидкість цих хвиль прямує до нескінченності, а групова до нуля. Одержані результати дають можливість створити принципово нові генератори потужних ультразвукових коливань.
З’ясовано механізм утворення шаруватої структури зміцненої зони металів та сплавів під дією сильнострумових імпульсних електронних пучків. Експериментально підтверджено, що шаруватий характер зміцненої зони виникає за рахунок абляційного механізму взаємодії пучка з поверхнею твердого тіла. В цьому випадку формується додатковий імпульс тиску, що призводить до збудження поверхневого шару розплавленого металу, який є акустичним резонатором. Коливання за рахунок акустичного зв’язку розповсюджуються вглиб зразка, у товщі якого виникає стояча хвиля. Сукупна дія інтенсивних пружних коливань всередині зразка та температурного поля, яке знижує границю плинності металу, призводять до виникнення явища наклепу в області пучності стоячої хвилі. Цей механізм відкриває нові можливості для одержання матеріалів із програмованими фізико-механічними властивостями.
Вперше запропоновано новий спосіб генерації інтенсивних низькочастотних гідроакустичних імпульсів, який базується на інжекції потужних потоків заряджених частинок у рідину. На відміну від відомих генераторів, які використовують вибух твердих вибухових речовин і електрогідравлічний розряд, застосування для цієї мети потужних потоків заряджених частинок дозволяє керувати амплітудно-часовими характеристиками введення енергії в рідину та уникати виникнення ударної хвилі. Це дає змогу більш ефективно перетворювати нагромаджену електричну енергію в енергію гідроакустичних імпульсів. Генерація коливань відбувається за рахунок пульсації парогазової порожнини, яка виникає при виділенні енергії в рідині.
Вперше запропонована та продемонстрована можливість інтенсифікації видобутку нафти та газу з використанням потужних генераторів гідроакустичних імпульсів, встановлених на поверхні свердловини. Високі енергетичні характеристики та низькочастотний характер спектру імпульсів, що генерувалися, призвели до збудження непродуктивного газового пласта. Зафіксовано підвищення газовіддачи свердловини.
В ході виконання дисертаційних досліджень розроблено та апробовано комплекс вимірювальних діагностичних елементів, методик та пристроїв, які дозволили підвищити точність високовольтних імпульсних вимірювань, параметрів пучка, що одержувався, та стабільність роботи сильнострумових імпульсних схем, зокрема:
- високовольтний омічний подільник з робочою напругою до 4МВ;
- вимірювання енергоємності потужного електронного пучка по радіаційному виходу гальмівного випромінювання;
- в процесі експлуатації потужного плазмового ерозійного прискорювача, як джерела сильнострумового дугового розряду, вперше було запропоновано використання магнітного ключа для комутації імпульсних сильнострумових електронних схем із енергією, що накопичувалась, до 100кДж.
Публікації автора:
1. Ковпик О.Ф., Корнилов Е.А., Коляда Ю.Е., Шапиро В.Д., Шевченко В.И. Возбуждение низкочастотных колебаний электронным пучком в горячей плазме, удерживаемой в пробкотроне // ЖТФ.- 1972.-Т.42.-С.2056-2061.
2. Ковпик О.Ф., Коляда Ю.Е., Корнилов Е.А., Лифшиц Е.В. Некрашевич С.А. Влияние внешней высокочастотной модуляции электронного пучка на нагрев ионов при взаимодействии его с плазмой // Физика плазмы и проблемы управляемого термоядерного синтеза.-Киев: Наукова думка.- 1972.- Вып.3.-С.15-23.
3. Коляда Ю.Е., Корнилов Е.А., Файнберг Я.Б., Кияшко В.А. Формирование и ускорение сильноточных высокоэнергетичных ионных пучков в плазме индукционными электрическими полями // Письма в ЖТФ.-1976.-Т.2.- С.916 –918.
4. Кияшко В.А., Коляда Ю.Е., Корнилов Е.А., Файнберг Я.Б. Линейный плазменный индукционный ускоритель – источник мощных сильноточных ионных пучков // Письма в ЖТФ.-1977.-Т.3.-С.1257-1259.
5. Кияшко В.А., Корнилов Е.А., Коляда Ю.Е. О коэффициенте полезного действия линейных индукционных ускорителей // ЖТФ.-1979.-Т.49.-С.2426-2428.
6. Кяшко В.А., Корнилов Е.А, Коляда Ю.Е., Файнберг Я.Б. Коллективное взаимодействие сильноточного ионного пучка с плазмой // Письма в ЖТФ. – 1979. – Т.5. – Вып.17. – С.1073 – 1077.
7. Кияшко В.А., Корнилов Е.А., Коляда Ю.Е. Моделирование на ЭВМ ускоряющей системы линейных индукционных ускорителей // ВАНТ. Сер.: Техника физического эксперимента. 1980.-Вып. 2(5).-С.86-89.
10. Коляда Ю.Е., Фиолетов С.Б., Ермоленко Б.Ф., Сендерович Г.А. Влияние материала и геометрии взрывоэмиссионных катодов на параметры мощного РЭП // Письма в ЖТФ.- 1990.- Т.-16.-Вып.-11.-С.26-29.
12. Коляда Ю.Е. Влияние материала холодного катода на режим работы импульсного сильноточного вакуумного диода в микросекундном диапазоне // ВАНТ. Сер.: Ядерно-физические исследования (34).–1999.-№3.–С.74-76.
Коляда Ю.Е., Буланчук О.Н., Федун В.И. Влияние микроскопических аэрозольных частиц на эмиссионные характеристики холодных катодов // ВАНТ. Сер: Ядерно-физические исследования (35).- 1999.- №4.-С.54-56.
Коляда Ю.Е. Генерация акустических полей при инжекции плотных плазменных сгустков в жидкость // Доповіді Національної академії наук України. – 1999.–№ 6. – С.91 – 95.
Коляда Ю.Е., Кияшко В.А., Онищенко И.Н., Корнилов Е.А., Федун В.И. Индуктивный генератор мощных микросекундных импульсов // Радиотехника: Сборник научных трудов Харьковского государственного технического университета радиоэлектроники. – 2000.- Вып.115 .– С.104 – 105.
Коляда Ю.Е. Формирование импульсных сильноточных электронных пучков вне вакуумных условий // Письма в ЖТФ. – 2000. – Т.26. – Вып.16. – С.52 – 56.
Коляда Ю.Е., Егоров А.М., Иванов Б.И., Онищенко И.Н., Федун В.И. Генерация ультразвуковых колебаний в акустическом волноводе протонным пучком // Доповіді Національної академії наук України.- 2000.- №4.-С.83-88.
Федун В.И., Коляда Ю.Е., Буланчук О.Н., Гаркуша В.В. Электрические характеристики импульсного плазменного гидроакустического излучателя // Вісник Донецького університету. Серія А: Природничі науки.–2000.– Вип.1. – С.89-92.
Коляда Ю.Е., Буланчук О.Н., Федун В.И. Моделирование работы генератора импульсных напряжений на нелинейную нагрузку – сильноточный вакуумный диод // ВАНТ. Сер.: Ядерно- физические исследования (39). – 2001. - №5. – С. 27-29.
Коляда Ю.Е., Федун В.И., Онищенко И.Н., Корнилов Е.А. Использование магнитного ключа для коммутации сильноточных импульсных схем // ПТЭ.- 2001.-№2.-С.89-91.
Коляда Ю.Е. Образование слоистой структуры упрочнённой зоны металла при облучении импульсным сильноточным электронным пучком // ВАНТ. Сер.: Ядерно-физические исследования (38). – 2001. – № 3. – С.184 – 186.
Джерело пружних хвиль в рідині: Патент на винахід № 24496А. Україна. МКИ G01V1/02 / Ю.Є. Коляда, В.І. Федун.- № 97052251; Завл.16.05.97; Опубл.21.07.98; Офіційний бюлетень. – Т.5. – Ч.2.-4.с.іл..
23. Кияшко В.А., Корнилов Е.А., Коляда Ю.Е. Формирование импульса тока и напряжения в линейных индукционных ускорителях // ВАНТ. Сер.: Техника физического эксперимента.-1980.-Вып. 2(5).- С.90-93.
24. Коляда Ю.Е., Подосинкин Ю.П., Тучин В.И., Манько Е.Т., Скубко В.А., Ермоленко Б.Ф., Фиолетов С.Б. Генератор импульсных напряжений, предназначенный для работы на нелинейную нагрузку // Вестник Харьковского политехнического института «Электроэнергетика и автоматизация энергоустановок».- 1988.-Вып.15.- №251.-С.16-18.
25. Ермоленко Б.Ф., Коляда Ю.Е., Сендерович Г.А., Фиолетов С.Б. Омический делитель для импульсных сверхвысоких напряжений // Вестник Харьковского политехнического института «Автоматика и приборостроение».- 1988.- №256.-Вып.14.-С.69-70.
Keyashko V.A., Kornilov E.A, Kolyada Yu.E., Fainberg Ya.B. Acceleration of intense ion beams by the induction electrical field and the ion beam-plasma interaction // Proceedings of the 3-th International Topical Conference on High Power Electron and Ion Beam Reseach and Technology.-V.1.-Novosibirsk.- July 3-6.- 1979.-P.97-102.
Kolyada Yu.E. High-current diode is intended for work in open air // Proceedings of the 18th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum.- Eindhoven, the Netherlands.- August 17-21.- 1998.-V.-2.-P.696-699.
Kolyada Yu.E., Bulaunchuk O.N., Fedun V.I., Onishchenko I.N. Aerosol microparticles and emission characteristics of the pulsed high – current vacuum diode in a microsecond range // Proceedings of the 19-th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum.- Xi’an, China. – September 18 – 22.- 2000.- V.1. – P.68-71
Onishchenko I.N., Kolyada Yu.E., Fedun V.I. Commutation of high current pulse electric schemes using the inductance with rectangular hysteresis loop // 12-th IEEE International Pulsed Power Conference, Abstracts.- California USA.- June 27-30.- 1999.-P.W-64.
Кияшко В.А., Корнилов Е.А., Коляда Ю.Е. О формировании сильноточных пучков заряженных частиц в линейном плазменном индукционном ускорителе // Тезисы докладов 3-го Всесоюзного симпозиума по сильноточной импульсной электронике. Томск. – 1978. – С.33-34.
Коляда Ю.Е., Ткач Ю.В., Тучин В.И., Подосинкин Ю.П., Скубко В.А., Ермоленко Б.Ф., Пухкал В.А., Калиниченко И.И. Стенд для создания мощных электронных пучков с микросекундной длительностью импульса // Тезисы докладов 5-го Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. - Томск.-1984.-Ч.2.-С.40-42.
Кияшко В.А., Корнилов Е.А., Файнберг Я.Б., Коляда Ю.Е. Формирование ионных пучков в плазме в остроугольной магнитной ловушке // Тезисы докладов 6-гоВсесоюзного семинара по линейным ускорителям.- Харьков. - 1979.-ВАНТ. Сер.: Техника физического эксперимента.- 1979.-Вып.1(3).- С.33.
Кияшко В.А., Корнилов Е.А., Файнберг Я.Б., Коляда Ю.Е. Транспортировка ионных пучков через газ // Тезисы докладов 6-гоВсесоюзного семинара по линейным ускорителям.- Харьков.- 1979.- ВАНТ. Сер.: Техника физического эксперимента.- 1979.-Вып.1(3).-С.34.
Kolyada Yu.E. Influence of the cold cathode material on a mode work the pulse high-current vacuum diode in a microsecond range // Тезисы докладов 16-го Международного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц.-Алушта, Крым.-6-12 сентября.-1999.-С.111.
Kolyada Yu. Formation pulse high – current electron beams outside of vacuum conditions // Тезисы докладов 16-го международного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц.-Алушта, Крым.-6-2 сентября.-1999.-С. 112.
Kolyada Yu.E., Fedun V.I, Onishchenko I.N. Application of nonlinear inductive elements for switching high currents // Тезисы докладов 16-го международного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц.-Алушта, Крым.-6-2 сентября.-1999.-C.103-104.
Belan V., Butenko V., Kolyada Yu., Onishchenko I., Prishchepov V., Fainberg Ya., Fedun V. The excitation elastic garmonic oscillation in solid by a proton beam // Тезисы докладов 16-гоМеждународного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц.- Алушта, Крым.- 6 – 12 сентября.- 1999. – С. 109.
Kolyada Yu.E., Bulanchuk O.N., Fedun V.I. Numerical simulation of the Marx-generator behavior on nonlinear load-high-current vacuum diode // Тезисы докладов 17-го Международного семинара по ускорителям заряженных частиц. - Алушта, Крым.-17-23 сентября.-2001.-С.49.
Kolyada Yu.E. Formation of a layered of a metal strengthening zone at irradiation by the pulse high – current electron beam // Тезисы докладов 17-гоМеждународного семинара по ускорителям заряженных частиц. - Алушта, Крым.- 17 – 23 сентября.- 2001. – С.223 – 224.
Коляда Ю.Е., Сендерович Г.А., Ермоленко Б.Ф., Тучин В.И. Применение графитовых взрывоэмиссионных катодов для формирования микросекундных сильноточных электронных пучков // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной, преобразовательной, сильноточной и полупроводниковой техники».- Москва.- 1989.-Ч.1.-С.130.
Коляда Ю.Е., Бондаренко В.Е., Ермоленко Б.Ф., Фиолетов.С.Б. Оптимизация режимов поверхностного упрочнения сталей мощными импульсными электронными потоками // Тезисы докладов к зональной конференции «Обработка материалов высококонцентрированными источниками энергии».- Пенза.- 1988.-С.62-63.
Коляда Ю.Е., Каплан С.П. Баланс энергии при взаимодействии сильноточных электронных пучков с металлами // Тезисы докладов 2-ой региональный научно – технической конференции. - Мариуполь,-1993. – Т.2.– С.67 – 68.
