ПЛА́ЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРО́НИКА
-
Рубрика: Технологии и техника
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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 П. э., определяют её осн. разделы: плазменная СВЧ-электроника, изучающая возбуждение в плазме интенсивного когерентного электромагнитного излучения, начиная от радиодиапазона и вплоть до оптич. 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
П. э. возникла после теоретич. предсказания А. И. Ахиезером и Я. Б. Файнбергом (1948, СССР), Э. Гроссом и Д. Бомом (1949, США) явления пучковой неустойчивости, представляющего собой вынужденное черенковское излучение (см. Вавилова – Черенкова излучение) плотным моноэнергетич. пучком электронов продольных электромагнитных волн в плазме. Обобщение теоретич. и эксперим. исследований вынужденного черенковского излучения в плазме на случай релятивистских электронных пучков привело к созданию сверхмощных источников микроволнового излучения с широкой перестройкой частот. Один из осн. направлений коллективных методов ускорения – метод ускорения электронов и ионов волнами плотности заряда в плазме и некомпенсиров. 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) послужило основой создания новых источников плазмы и развитию плазменных технологий. Неравновесная плазма пучкового разряда является рабочим веществом в плазмохимич. реакторах по разделению изотопов, в квантовых генераторах когерентного оптического излучения – плазменных лазерах и мазерах и др.
Коллективные взаимодействия
В основе П. э. лежат процессы вынужденного излучения и поглощения электромагнитного излучения заряженными частицами: одночастичный и коллективный эффекты Черенкова, нормальный и аномальный Доплера эффекты, циклотронное и синхротронное излучение и поглощение, ондуляторное излучение, параметрич. резонансное излучение, переходное излучение, томсоновское и комптоновское рассеяние, Мандельштама – Бриллюэна рассеяние 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 кинетич. 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 химич. реакций – т. н. плазменно-химич. 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 электродинамич. структурах – металлич. либо диэлектрич. волноводах и резонаторах, в П. э. вынужденное излучение заряженных частиц происходит в плазменных волноводах и резонаторах. Как следствие, в плазменных приборах частота излучения зависит не только от геометрич. размеров волноводов и резонаторов, но и от плотности плазмы. Поэтому в П. э. 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 П. э. от вакуумной электроники состоит в том, что в П. э. происходит эффективное возбуждение объёмных мод с длиной волны λ , намного меньшей геометрич. размеров плазменных волноводов и резонаторов. Макс. достижимая напряжённость электрич. поля в плазме при плотности плазмы np≈(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 П. э. – 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 высокоэнергетич. 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 П. э., связанные с релятивизмом электронов. Развитию релятивистской П. э. 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 значит. 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% электрич. 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 разл. плазмохимич. реакторах. Обладая большой энергией в целом, релятивистские электронные пучки способны обеспечить большой выход в одном импульсе и высокую ср. мощность при использовании пучков импульсно-периодич. режимов, а высокая энергия электронов обусловливает хорошую однородность плазмохимич. 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 водородо-фтористых 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%.