Пла́зменная электро́ника, раздел физики плазмы, изучающий коллективные взаимодействия плотных потоков (пучков) заряженных частиц с плазмой и газом, приводящие к возбуждению в системе линейных и нелинейных электромагнитных волн и колебаний, и использование эффектов такого взаимодействия. Прикладные задачи, которые ставит и решает плазменная электроника, определяют её основные разделы: плазменная СВЧ-электроника, изучающая возбуждение в плазме интенсивного когерентного электромагнитного излучения, начиная от радиодиапазона и вплоть до оптического диапазона длин волн; плазменные ускорители, основанные на явлении коллективного ускорения тяжёлых заряженных частиц электронными пучками и волнами в плазме; плазменно-пучковый разряд, основанный на коллективном механизме взаимодействия плотных пучков заряженных частиц с газом; турбулентный нагрев плазмы плотными пучками заряженных частиц и коллективные процессы при транспортировке и фокусировке пучков в проблеме управляемого термоядерного синтеза (УТС); плазмохимия.

Историческая справка

Плазменная электроника возникла после теоретического предсказания А. И. Ахиезером и Я. Б. Файнбергом (1948, СССР), Ю. Гроссом и Д. Бомом (1949, США) явления пучковой неустойчивости, представляющего собой вынужденное черенковское излучение плотным моноэнергетическим пучком электронов продольных электромагнитных волн в плазме. Обобщение теоретических и экспериментальных исследований вынужденного черенковского излучения в плазме на случай релятивистских электронных пучков привело к созданию сверхмощных источников микроволнового излучения с широкой перестройкой частот. Одно из основных направлений коллективных методов ускорения – метод ускорения электронов и ионов волнами плотности заряда в плазме и некомпенсированных пучках заряженных частиц (Я. Б. Файнберг, 1956). В 1965 Е. К. Завойский и Файнберг предложили использовать электронные пучки и возбуждаемые ими электромагнитные волны для пучкового и турбулентного нагрева плазмы.

Параллельно развивались направления в области слабоионизованной плазмы. Открытие плазменно-пучкового разряда (1961) стало основой создания новых источников плазмы и послужило развитию плазменных технологий. Неравновесная плазма пучкового разряда является рабочим веществом в плазмохимических реакторах по разделению изотопов, в квантовых генераторах когерентного оптического излучения – плазменных лазерах и мазерах и др.

Коллективные взаимодействия

В основе плазменной электроники лежат процессы вынужденного излучения и поглощения электромагнитного излучения заряженными частицами: одночастичный и коллективный эффекты Черенкова, нормальный и аномальный эффекты Доплера, циклотронное и синхротронное излучение и поглощение, ондуляторное излучение, параметрическое резонансное излучение, переходное излучение, томсоновское и комптоновское рассеяние, рассеяние Мандельштама – Бриллюэна и др. Если в плазме определённая группа частиц совершает упорядоченное движение, то при достаточно большой их плотности имеет место вынужденное излучение электромагнитных волн: часть энергии упорядоченного движения переходит в энергию электромагнитного излучения. Именно так происходит в плазменных усилителях и генераторах электромагнитных волн. В свою очередь, в регулярных полях возбуждённых в плазме волн сторонние заряженные частицы могут приобрести упорядоченную энергию (коллективное ускорение). В нерегулярных полях с относительно широким спектром плазменных волн заряженные частицы приобретают неупорядоченную энергию вследствие поглощения этих волн и происходит нагрев плазмы. Поскольку пучки заряженных частиц могут обладать весьма большой кинетической энергией, то и нагрев плазмы может быть значительным, вплоть до термоядерных температур. Такое возможно, однако, только в случае сильноионизованной плазмы. В слабоионизованной плазме существенная часть энергии передаётся нейтральным атомам и молекулам, в результате чего происходит их разогрев, возбуждение, диссоциация и ионизация. Эти процессы, в свою очередь, инициируют новый тип разряда – плазменно-пучковый разряд, новые типы химических реакций – т. н. плазменно-химические реакции, а также определяют работу нового типа квантовых генераторов – плазменных лазеров и мазеров, основанных на переходах в ионных и ионно-молекулярных уровнях энергии.

Достоинства плазменной электроники

В отличие от вакуумной электроники, в которой индуцирование излучения потоков заряженных частиц происходит в электродинамических структурах – металлических либо диэлектрических волноводах и резонаторах, в плазменной электронике вынужденное излучение заряженных частиц происходит в плазменных волноводах и резонаторах. Как следствие, в плазменных приборах частота излучения зависит не только от геометрических размеров волноводов и резонаторов, но и от плотности плазмы. Поэтому в плазменной электронике путём изменения плотности плазмы можно изменять частоту излучения в широком диапазоне. Так, в реально работающих плазменных приборах при изменении плотности плазмы в пределах 10¹⁰–10¹⁹ см^–3 удаётся возбуждать волны длиной λ≈(10^–2–10²) см, что перекрывает полосу СВЧ от субмиллиметрового до дециметрового диапазона. Это одно из существенных отличий и преимуществ плазменной электроники.

Второе отличие плазменной электроники от вакуумной электроники состоит в том, что в плазменной электронике происходит эффективное возбуждение объёмных мод с длиной волны λ, намного меньшей геометрических размеров плазменных волноводов и резонаторов. Максимальная достижимая напряжённость электрического поля в плазме при плотности плазмы n_p≈(10¹⁴–10¹⁸) см^–3 составляет 10⁷– 10⁹ В/см. В таком поле весьма эффективно будут ускоряться заряженные частицы до больших энергий на относительно малых длинах (на длине в 100 см частицы могут ускоряться до 10³ МэВ). Существенно и то, что при возбуждении высоких мод объёмных колебаний ослабляется возможность пробоев на стенках плазменных волноводов (резонаторов).

Важное преимущество плазменной электроники – возможность пропускания пучков с большими токами. В вакуумных системах токи пучков ограничены сверху пространственным зарядом. При движении потоков заряженных частиц в плазме происходит компенсация объёмного заряда и тока индуцированными в плазме полями и токами. Благодаря этому в плазменных системах возможно достижение больших токов, а следовательно, и больших мощностей излучения. Так, для пучка с энергией 1 МэВ предельный плазменный ток достигает 100 кА, а мощность пучка – 100 ГВт, что намного превышает предельные значения в вакуумных системах. При этом скомпенсированные по заряду пучки более однородны по сечению и поэтому более эффективно взаимодействуют с электромагнитными волнами в плазме. В результате существенно повышается эффективность возбуждения электромагнитных волн потоками заряженных частиц и достигаются значительно бо́льшие мощности излучения, чем в вакуумной электронике.

В 1970-х гг. появились источники мощных высокоэнергетических электронных и ионных пучков (энергия частиц порядка ~1 МэВ, токи ~10⁵–10⁶ А). При длительности импульса порядка 10^–7 с полная энергия в таких пучках превышает 10⁶ Дж, что вполне достаточно для инициирования термоядерной вспышки в дейтерий-тритиевых мишенях миллиметрового диаметра. Инерциальный УТС с использованием интенсивных ионных пучков считается одним из наиболее перспективных и интенсивно развивается.

Релятивистская плазменная электроника

Мощные мегавольтные электронные пучки открыли новые перспективы перед плазменной электроникой, связанные с релятивизмом электронов. Развитию релятивистской плазменной электроники способствовало увеличение эффективности плазменно-пучкового взаимодействия. Поэтому с появлением мощных источников релятивистских электронных пучков стала бурно развиваться релятивистская плазменная СВЧ-электроника. Релятивистские скорости и большие токи изменяют характер взаимодействия сильноточных релятивистских электронных пучков с плазмой. Тот факт, что при сильном релятивизме электронов даже значительные потери энергии не нарушают условие черенковского резонанса, проявляется в увеличении кпд генерации электромагнитного излучения. Так, при пучке с энергией 1 МэВ и током в 25 кА кпд достигает 20 %, т. е. 20 % электрической энергии пучка может перейти в энергию электромагнитного излучения; при этом мощность излучения составит 5 ГВт. Поскольку фазовая скорость электромагнитных волн в этом случае очень близка к скорости света, всё излучение практически без потерь будет выходить из плазмы (потери вследствие отражения от поверхности плазмы не превышают 2,5 %). Такие параметры уже реализованы в экспериментах.

Сильноточные релятивистские электронные пучки имеют ещё одно преимущество. Они могут инициировать плазменно-пучковый разряд и создавать плазму высокой плотности в различных плазмохимических реакторах. Обладая большой энергией в целом, релятивистские электронные пучки способны обеспечить большой выход в одном импульсе и высокую среднюю мощность при использовании пучков импульсно-периодических режимов, а высокая энергия электронов обусловливает хорошую однородность плазмохимических реакторов даже при очень больших давлениях газа в них, намного превышающих атмосферное. Именно благодаря этим преимуществам на плазменно-пучковом разряде с использованием сильноточных релятивистских электронных пучков реализованы химические лазеры на водородофтористых смесях, дающие когерентное излучение на длине волны λ≈3 мкм с энергией до нескольких килоджоулей в импульсе длительностью τ⩽100 нc и обладающие кпд по отношению к энерговкладу пучка в газ до 700 %. Созданы эксимерные плазменные лазеры на смесях Аr–Fr–Кr субмикронного диапазона длин волн с энергией до 1 кДж в импульсе длительностью t≈40 нc и кпд до 10 %.