Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА -раздел физики плазмы, изучающий коллективные взаимодействия плотных потоков(пучков) заряж. частпц с плазмой и газом, приводящие к возбуждению в системелинейных и нелинейных эл.-магн. волн и колебаний, и использование эффектовтакого взаимодействия. Прикладные задачи, к-рые ставит и решает П. э.,определяют её осн. разделы: плазменная СВЧ-электроника, изучающая возбуждениев плазме интенсивного когерентного эл.-магн. излучения, начиная от радио-и вплоть до оптич. диапазона длин волн; плазменные ускорители, осн. наявлении коллективного ускорения тяжёлых заряж. частиц электронными пучкамии волнами в плазме; плазменно-пучковый разряд, основанный на коллективноммеханизме взаимодействия плотных пучков заряж. частиц с газом; турбулентныйнагрев плазмы плотными пучками заряж. частиц и коллективные процессы притранспортировке и фокусировке пучков в проблеме УТС (см. Ионный термоядерныйсинтез); неравновесная плазмохимия, изучающая процессы образованиявозбуждённых молекул, атомов и ионов при коллективном взаимодействии пучковзаряж. частиц с газом и плазмой.

Историческая справка. П. э. возникла послеоткрытия А. И. Ахиезером и Я. Б. Файнбергом (1948), Д. Бомом (D. Bohm)и Э. Гроссом (Е. P. Gross, 1949) явления пучковой неустойчивости, представляющегособой вынужденное черенковское излучение плотным моноэнергетич. пучкомэлектронов продольных эл.-магн. волн в плазме. Одним из осн. направленийколлективных методов ускорения, основы к-рых были заложены работами советскихучёных В. И. Векслера, Г. И. Будкера и Я. Б . Файнберга, являетсяметод ускорения электронов и ионов волнами плотности заряда в плазме инекомпенсиров. пучках заряж. частиц, предложенный Я. Б. Файнбергом в 1956.В 1965 Е. К. Завойский и Я. Б. Файнберг предложили использовать электронныепучки и возбуждаемые ими эл.-магн. волны для пучкового и турбулентного нагреваплазмы. Идея турбулентного нагрева плазмы позволила Е. К. Завойскомув 1969 сформулировать осн. принципы инерциального электронного УТС. В 70-хгг. Д. Д. Рютовым был предложен нагрев плазмы релятивистскими пучками в открытых ловушках.

Параллельно возникли и развивались направления, <связанные со слабоионизованной плазмой. Открытие плазменно-пучкового разряда(1961) послужило основой создания новых источников плазмы, использующихэнергию плотных электронных пучков для ионизации газа. Создаваемая в такихисточниках плазма оказалась сильно неравновесной с большим числом возбуждённыхионов, атомов и молекул в метастабиль-ных состояниях, инициирующих рядновых типов плазмохим. реакций. Неравповесная плазма пучкового разрядаявляется рабочим веществом в плазмохим. реакторах по разделению изотопов, <в квантовых генераторах когерентного излучения - плазменных лазерах и мазерахи др.

Коллективные взаимодействия. Все направленияП. э. базируются на коллективных взаимодействиях потоков заряж. частицс плазмой и возбуждении сильных эл.-магн. полей. В основе коллективноговзаимодействия лежат элементарные процессы излучения и поглощения эл.-магн. <излучения заряж. частицами: одночаетпчный и коллективный эффекты Черенкова, <нормальный и аномальный эффекты Доплера, циклотронное и спнхротронное излучениеи поглощение, ондуляторное излучение, параметрич. резонансное излучение, переходноеизлучение, томсоновское и комптоновское рассеяние, Мандельштама- Бриллюэна рассеяние и др. Если в плазме определённая группа частицсовершает упорядоченное движение, то при достаточно большой их плотностиимеет место коллективное излучение эл.-магн. волн: часть энергии упорядоченногодвижения переходит в энергию эл.-магн. излучения. Именно так происходитв плазменных усилителях и генераторах эл.-магн. волн. В свою очередь, врегулярных полях возбуждённых в плазме волн сторонние заряж. частицы могутприобрести упорядоченную энергию (коллективное ускорение). В нерегулярныхполях с относительно широким спектром плазменных волн заряж. частицы приобретаютнеупорядоченную энергию вследствие поглощения этих волн и происходит нагревплазмы. Поскольку пучки заряж. частиц могут обладать весьма большой кинетич. <энергией, то и нагрев плазмы может быть значительным, вплоть до термоядерныхтемп-р. Такое возможно, однако, только в случае сильноионизованной плазмы. <В слабоионизованной плазме существ. часть энергии передаётся нейтральныматомам и молекулам, в результате чего происходит их разогрев, возбуждение, <диссоциация и ионизация. Эти процессы, в свою очередь, инициируют новыйтип разряда, нлазменно-пучковый разряд, новые типы хим. реакций (плазменно-хим. <реакции), а также определяют работу нового типа квантовых генераторов -плазменных лазеров и мазеров, основанных на переходах в ионных и ионно-молекулярныхуровнях энергий.

Отличия и достоинства П. э. Подобновакуумной и квантовой электронике П. э. основана на явлении индуцированного(вынужденного) излучения и поглощения эл.-магн. волн заряж. частицами вплазме. Но если вакуумная электроника рассматривает излучение потоков заряж. <частиц, движущихся в электродинамич. структурах - металлич. либо диэлектрич. <волноводах и резонаторах, то П. э. исследует излучение потоков заряж. частиц, <движущихся в плазме, в плазменных волноводах и резонаторах (см. Волноводплазменный). Частота эл.-магн. излучения в вакуумной электронике определяетсяконечными геом. размерами волноводов и резонаторов, а в квантовой электронике- дискретностью энергетич. уровней излучателей (возбуждённых атомов и молекул);поэтому генераторы когерентного эл.-магн. излучения в вакуумной и в квантовойэлектронике узкополосны, менять их частоту плавно практически невозможно. <В плазменных приборах частота зависит не только от геом. размеров волноводови резонаторов, но и от плотности плазмы, поэтому излучатели в П. э. многомодовые;меняя плотность плазмы, можно менять частоты в широком интервале. В этомзаключается одно из существ. отличий и преимуществ П. э. Так, напр., частотапродольных ленгмюровских колебаний холодной изотропной плазмы (в системеед. CGSE)где n _р- плотность плазмы. При изменении реально используемойплотности плазмы в пределах (10¹⁰ - 1C¹⁹) см ^-3 можно возбуждать волны длиной (10^-3 - 10²) см, что перекрывает всю полосу СВЧ отсубмиллиметрового и до дециметрового диапазона. При наложении на плазмувнеш. магн. поля диапазон частот собств. люд эл.-магн. колебаний плазмырасширяется.

Дисперсионное ур-ние, описывающее возбуждениеволн моноэнергетич. перелятивистским электронным пучком в простейшем случаехолодной изотропной плазмы, записывается в виде

Здесь - ленгмюровская частота электронов пучка (beam), n_b - плотность, и- скорость пучка, k - волновой вектор,- комплексная частота, действит. часть к-рой представляет частоту возбуждённыхпродольных колебаний поля, а мнимая часть - инкремент нарастания их амплитуды.

Если п _р п _ь, то, как следует из решения ур-ния (1), частота нарастающихво времени колебаний

причём ku =Из соотношения (2) видно, что механизмом раскачки колебаний является эффектЧеренкова - скорость пучка находится в резонансе с фазовой скоростью волны, <но несколько больше последней. Раскачка колебаний происходит с инкрементом, <равным до тех пор, пока скорость пучка не уменьшится до скорости волны. Отсюдаможно найти амплитуду насыщения поля волны:

Второе отличие П. э. от вакуумной состоитв том, что если в последней возбуждаются поверхностные волны, либо осн. <моды эл.-магн. колебаний диэлектрич. волноводов и резонаторов, то в П. <э. происходит также эфф. возбуждение высоких объёмных мод с намного меньшей геом. размеров плазменных волноводов и резонаторов. Макс. <достижимая напряжённость электрич. поля в плазме ( с - скорость света) и при плотности плазмы n_p(10¹⁴10¹⁸ )см ^-3 составляет 10⁷10⁹ В/см. В таком поле весьма эффективно будут ускоряться заряж. частицы добольших энергий на относительно малых длинах (на длине ~100 см частицымогут ускоряться до ~10³ МэВ). Существенно и то, что при возбуждениивысоких мод объёмных колебаний ослабляется возможность пробоев на стенкахплазменных волноводов и резонаторов.

Осн. преимущество П. э. перед вакуумной- пропускать пучки с большими токами. В вакуумных системах токи пучковограничены сверху пространственным зарядом. Напр., через вакуумный цилиндрич. <волновод радиуса R можно транспортировать трубчатый электронныйпучок с током, не превышающим

Здесь - релятивистский фактор,- кинетич. энергия электрона, r_b - ср. радиус пучка толщиной

При движении потоков заряж. частиц в плазмепроисходит компенсация объёмного заряда и тока индуцированными в плазмеполями и токами. Благодаря этому в плазменных системах возможно достижениебольших токов, но и здесь существует верхний предел, определяемый устойчивостьюпучка

Из (5) видно, что для пучка с энергией1 МэВ предельный плазменный ток I _п достигает 100 кА, <а мощность пучка - 100 ГВт, что намного превышает предельные значения ввакуумных системах. При этом скомпенсиров. по заряду пучки более однородныпо сечению и поэтому более эффективно взаимодействуют с эл.-магн. волнамив плазме. В результате существенно повышается эффективность возбужденияэл.-магн. волн потоками заряж. частиц и достигаются значительно большиемощности излучения, чем в вакуумной электронике. В 70-х гг. появились источникимощных высокоэнергетич. электронных и ионных пучков (энергия частиц ~1МэВ, токи ~10⁵ - 106 А). При длительности импульса ~10^-7 с полная энергия в таких пучках >10⁶ Дж, что вполне достаточнодля инициирования термоядерной вспышки в дейтерий-тритиевых мишенях миллиметровогодиаметра. Инерциальный УТС с использованием интенсивных ионных пучков считаетсяодним из наиболее перспективных и интенсивно развивается.

Релятивистская П. э . Мощныемегавольтные электронные пучки открыли новые перспективы перед П. э., связанныес релятивизмом электронов. Развитию релятивистской П. э. способствовалотеоретич. доказательство увеличения с ростом эффективности плазменно-пучкового взаимодействия

несмотря на уменьшение линейного инкрементаImw -Эл.-магн. колебания и волны в плазме обладают самыми разнообразными фазовымискоростями. В плазме существуют колебания, фазовая скорость к-рых намногоменьше скорости света и даже тепловой скорости частиц; к их числу относятсяленгмюровские колебания, ионно-звуковые и альфеновские волны и др. Такиеволны легко возбуждаются нерелятивистскими пучками заряж. частиц. Но, обладаямалыми фазовыми скоростями, такие волны заперты в плазме, не излучаются, <а со временем диссипируют, поглощаясь частицами плазмы. Именно поэтомувозбуждение медленных волн в плазме нерелятивистскими пучками заряж. частицслужит эффективным каналом для пучкового нагрева плазмы.

С др. стороны, в плазме существуют и быстрыеэл.-магн. волны, фазовая скорость к-рых Особенно много таких эл.-магн. волн в плазме, находящейся в сильном внеш. <магн. поле (см. Волны в плазме). Очевидно, что возбуждение быстрыхволн в плазме возможно лишь интенсивными релятивистскими электронными пучками. <Поэтому с появлением мощных источников релятивистских электронных пучковстала бурно развиваться релятивистская плазменная СВЧ-электроника.

Релятивистские скорости и большие токиизменяют характер взаимодействия сильноточных релятивистских электронныхпучков с плазмой. Тот факт, что при даже значит. потери энергии электронов не нарушают условие черепковскогорезонанса, проявляется в увеличении кпд генерации эл.-магн. излучения (6).Эта оценка справедлива, пока При больших токах пучка величину удаётся определить только численно. В оптимальных условиях, когда геометриипучка и плазмы совпадают, значения hвесьма высоки и медленно спадают с ростом тока пучка (рис.).

Зависимость кпд генерации электромагнитного излучения в плазменном генераторе с релятивистским пучкомот тока пучка I_b.

При 1 МэВ и I_b =2I₀25 кА (в пучке с 0,15 см при этом п _b5 x 10¹² см ^-3)0,2, т. <е. ок. 20% электрич. энергии пучка может перейти в энергию эл.-магн. <излучения; мощность излучения составит 5 ГВт. Поскольку фазовая скоростьэл.-магн. волн при этом очень близка к скорости света, всё излучение практическибез потерь будет выходить из плазмы (потери вследствие отражения от поверхностиплазмы не превышают 2,5%).

Частота генерируемого излучения в случае даётся ф-лой

Здесь - поперечное волновое число возбуждаемой пучком плазменной эл.-магн. волны. <В случае возбуждения аксиально-симметричных мод колебании в плазме с трубчатойгеометрией, совпадающей с геометрией пучка (r _ь = r _р,),имеем

Из ф-л (7) и (8) следуют весьма важныевыводы. При условии

в системе будет возбуждаться одна единственнаяосн. мода колебаний, частота к-рой растёт с увеличением плотности плазмы;т. е. частота, в отличие от вакуумной электроники, не жёстко связана сразмерами резонатора, а может меняться в широком диапазоне. Для указанныхвыше параметров плазмы и пучка 2,5 x 10¹¹ с ^-1 (что соответствует длине волны 8 мм) при "рмакс 5 x 10¹³ см ^-3. Поскольку фазовая скорость возбуждаемойволны близка к скорости света, поле волны сильно непотенциально, причёмэнергия поля составляет 20% от энергии пучка. А это означает, что напряжённостьполя достигает величины Е _макс⁼ 3 x10⁶ В/см; такое поле может обеспечить ускорение заряж. частицв плазме до энергии 300 МэВ на длине 100 см, что безусловно является ещёодним преимуществом сильноточной релятивистской П. э.

Такое высокоэфф. возбуждение эл.-магн. <излучения, так же как и эфф. ускорение заряж. частиц волнами в плазме, <возможно только в условиях одномодового возбуждения, т. е. в условиях (9).Если же плотность плазмы очень велика, так что выполняется неравенство для большого числа мод колебаний, то в плазме происходит возбуждение многомодовогоизлучения, к-рое быстро поглощается электронами плазмы и приводит к ихразогреву. Кпд преобразования энергии пучка в энергию многомодового излученияпри этом остаётся прежним (6), что позволяет дать оценку разогрева электроновплазмы сильноточным релятивистским электронным пучком:

Для приведённых выше параметров пучка при п _р 10¹⁵ см ^-3 имеем Т _е 500эВ (5 x 10⁶ К), что свидетельствует о возможности нагрева плазмысильноточными пучками электронов до высоких термоядерных темп-р и инициированиятермоядерных реакций.

Сильноточные релятивистские электронныепучки имеют ещё одно преимущество. Они могут инициировать плазменно-пучковыйразряд и создавать плазму высокой плотности в разл. плазмохим. реакторах. <Обладая большой энергией в целом, релятивистские электронные пучки способныобеспечить большой выход в одном импульсе и высокую ср. мощность при использованиипучков импульсно-периодич. режимов. А высокая энергия электронов обусловливаетхорошую однородность плазмохим. реакторов даже при очень больших давленияхгаза в них, намного превышающих атмосферное. Именно благодаря таким преимуществамна плаз-менно-пучковом разряде с использованием сильноточных релятивистскихэлектронных пучков реализованы химические лазеры на водородо-фтористыхсмесях, дающие когерентное излучение на длине волны 3 мкм с энергией до неск. кДж в импульсе длительностью 100 нc и обладающие кпд по отношению к энерговкладу пучка в газ до 700%.Созданы эксимерные плазменные лазеры на смесях Аr + Fr + Кr субмикронногодиапазона длин волн с энергией до 1 кДж в импульсе длительностью 40нc и кпд до 10%.

Релятивистская П. э., в особенности экспериментальная, <сделала только первые шаги. Теория уже сформулировала ряд интересных физ. <проблем, связанных с релятивизмом и сильноточностью пучков, к-рые требуютэксперим. исследования. Тем не менее много нерешённых проблем осталосьи у теории, и в первую очередь исследования разл. механизмов взаимодействияэлектронных пучков с плазмой.

Лит.:1) Файнберг Я. Б., Ускорениечастиц в плазме, "Атомная энергия", 1959, т. 6, с. 431; 2) его же, Ускорениезаряженных частиц в плазме, "УФН", 1967, т. 93, с. 617; 3) БернашевскийГ. А. и др., Плазменные и электронные усилители и генераторы СВЧ, М., 1965;4) Рабинович М. С., Рухадзе А. А., Принципы релятивистской СВЧ плазменнойэтектроники, "Физика плазмы", 1976, т. 2, с. 715; 5) Босданкевич Л. С. <Рабинович М. С., Рухадзе А. А., Релятивистская сильноточная СВЧ плазменнаяэлектроника, "Изв. ВУЗов. Физика", 1979, т. 10, с. 47; 6) Файнберг Я. Б.,Некоторые вопросы плазменной электроники, "Физика плазмы", 1985, т. 11,с. 1398; 7) Богданкевич Л. С., Кузелев М. В., Рухадзе А. А., ПлазменнаяСВЧ электроника, "УФН", 1981, т. 133, с. 3; 8) Кузелев М. В. и др., Релятивистскаясильноточная плазменная СВЧ электроника: преимущества, достижения, перспективы,"Физика плазмы", 1987, т. 13, с. 1370.

Я. Б. Файнберг, А. А. Рухадзе.