Плазменная электроника

 

Плазменная электроника - 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 радио - 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 УТС; неравновесная плазмохимия, изучающая процессы образования возбуждённых молекул, атомов и ионов при коллективном взаимодействии пучков заряженных частиц с газом и плазмой.

Историческая справка. Плазменная электроника возникла после открытия А.И. Ахиезером и Я.Б. Файнбергом (1948), Д. Бомом и Э. Гроссом явления пучковой неустойчивости, представляющего собой вынужденное черенковское излучение плотным моноэнергетическим пучком электронов продольных электромагнитных волн в плазме. Одним из основных направлений коллективных методов ускорения, основы которых были заложены работами советских учёных В.И. Векслера, Г.И. Будкера и Я.Б. Файнберга, является метод ускорения электронов и ионов волнами плотности заряда в плазме и некомпенсированных пучках заряженных частиц, предложенный Я.Б. Файнбергом в 1956. В 1965 Е.К. Завойский и Я.Б. Файнберг предложили использовать электронные пучки и возбуждаемые ими электромагнитные волны для пучкового и турбулентного нагрева плазмы. Идея турбулентного нагрева плазмы позволила Е.К. Завойскому в 1969 году сформулировать основные принципы инерциального электронного УТС. В 70-х гг. 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, использующих энергию плотных электронных пучков для ионизации газа. Создаваемая в таких источниках плазма оказалась сильно неравновесной с большим числом возбуждённых ионов, атомов и молекул в метастабильных состояниях, инициирующих ряд новых типов плазмохимических реакций. Неравновесная плазма пучкового разряда является рабочим веществом в плазмохимических реакторах по разделению изотопов, в квантовых генераторах когерентного излучения - плазменных лазерах и мазерах и др.

Коллективные взаимодействия. Все направления плазменной электроники базируются на коллективных взаимодействиях потоков заряженных частиц с плазмой и возбуждении сильных электромагнитных полей. В основе коллективного взаимодействия лежат элементарные процессы излучения и поглощения электромагнитные 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, Мандельштама - Бриллюэна рассеяние и др. Если в плазме определённая группа частиц совершает упорядоченное движение, то при достаточно большой их плотности имеет место коллективное 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 сильно ионизованной 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 (плазменно-химическии реакции), а также определяют работу нового типа квантовых генераторов - плазменных лазеров и мазеров, основанных на переходах в ионных и ионно-молекулярных уровнях энергий.

Отличия и достоинства плазменной электроники. Подобно вакуумной и квантовой электронике плазменная электроника основана на явлении индуцированного (вынужденного) излучения и поглощения электромагнитных волн заряженными частицами в плазме. Но если вакуумная электроника рассматривает излучение потоков заряженных частиц, движущихся в электродинамических структурах - металлических либо диэлектрических волноводах и резонаторах, то плазменная электроника исследует излучение потоков заряженных частиц, движущихся в плазме, в плазменных волноводах и резонаторах. Частота электромагнитные излучения в вакуумной электронике определяется конечными геометрическими размерами волноводов и резонаторов, а в квантовой электронике - дискретностью энергетических уровней излучателей (возбуждённых атомов и молекул); поэтому генераторы когерентного электромагнитного излучения в вакуумной и в квантовой электронике узкополосны, менять их частоту плавно практически невозможно. В плазменных приборах частота зависит не только от геометрических размеров волноводов и резонаторов, но и от плотности плазмы, поэтому излучатели в плазменной электронике многомодовые; меняя плотность плазмы, можно менять частоты в широком интервале. В этом заключается одно из существенных отличий и преимуществ плазменной электроники. Так, например, частота продольных ленгмюровских колебаний холодной изотропной плазмы (в системе ед. CGSE) где n_р - плотность плазмы. При изменении реально используемой плотности плазмы в пределах (10¹⁰ - 1C¹⁹) см^-3 можно возбуждать волны длиной (10^-3 - 10²) см, что перекрывает всю полосу СВЧ от субмиллиметрового и до дециметрового диапазона. При наложении на плазму внешнего магнитного поля диапазон частот собственных люд электромагнитных колебаний плазмы расширяется.
Дисперсионное уравнение, описывающее возбуждение волн моноэнергетическим перелятивистским электронным пучком в простейшем случае холодной изотропной плазмы, записывается в виде

 

 

Здесь - ленгмюровская частота электронов пучка, n_b - плотность, и - скорость пучка, k - волновой вектор, - комплексная частота, действительная часть которой представляет частоту возбуждённых продольных колебаний поля, а мнимая часть - инкремент нарастания их амплитуды.

Если п_р п_ь, то, как следует из решения уравнения (1), частота нарастающих во времени колебаний

 

 

Из соотношения (2) видно, что механизмом раскачки колебаний является эффект Черенкова - 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. Отсюда можно найти амплитуду насыщения поля волны:

 

Второе отличие плазменной электроники от вакуумной состоит в том, что если в последней возбуждаются поверхностные волны, либо основные моды электромагнитных колебаний диэлектрических волноводов и резонаторов, то в плазменной электронике происходит также эффект возбуждение высоких объёмных мод с намного меньшей геом. размеров плазменных волноводов и резонаторов. Максимальная достижимая напряжённость электрического поля в плазме (с - скорость света) и 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 ~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 и резонаторов.

Основное преимущество плазменной электроники перед вакуумной - пропускать пучки с большими токами. В вакуумных системах токи пучков ограничены сверху пространственным зарядом. Например, через вакуумный цилиндрический волновод радиуса R можно транспортировать трубчатый электронный пучок с током, не превышающим

 

 

Здесь - релятивистский фактор, - кинетическая энергия электрона, r_b - средний радиус пучка толщиной
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, но и здесь существует верхний предел, определяемый устойчивостью пучка

 

 

Из (5) видно, что для пучка с энергией 1 МэВ предельный плазменный ток I _п 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 большие мощности излучения, чем в вакуумной электронике. В 70-х гг. появились источники мощных высокоэнергетических электронных и ионных пучков (энергия частиц ~1 МэВ, токи ~10⁵ - 106 А). При длительности импульса ~10^-7 с полная энергия в таких пучках >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 электронике способствовало теоретическое доказательство увеличения с ростом эффективности плазменно-пучкового взаимодействия

 

 

несмотря на уменьшение линейного инкремента Imw - Электромагнитные колебания и волны в плазме обладают самыми разнообразными фазовыми скоростями. В плазме существуют колебания, фазовая скорость которых намного меньше скорости света и даже тепловой скорости частиц; к их числу относятся ленгмюровские колебания, ионно-звуковые и альфеновские волны и др. Такие волны легко возбуждаются нерелятивистскими пучками заряженных частиц. Но, обладая малыми фазовыми скоростями, такие волны заперты в плазме, не излучаются, а со временем диссипируют, поглощаясь частицами плазмы. Именно поэтому возбуждение медленных волн в плазме нерелятивистскими пучками заряженных частиц служит эффективным каналом для пучкового нагрева плазмы.

С другой стороны, в плазме существуют и быстрые электромагнитные волны, фазовая скорость которых Особенно много таких электромагнитных волн в плазме, находящейся в сильном внешнем магнитном поле. Очевидно, что возбуждение быстрых волн в плазме возможно лишь интенсивными релятивистскими электронными пучками. 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 даже значит. потери энергии электронов не нарушают условие черепковского резонанса, проявляется в увеличении кпд генерации электромагнитного излучения (6). Эта оценка справедлива, пока При больших токах пучка величину удаётся определить только численно. В оптимальных условиях, когда геометрии пучка и плазмы совпадают, значения h весьма высоки и медленно спадают с ростом тока пучка (рис.).

 

Зависимость кпд генерации электромагнитного излучения в плазменном генераторе с релятивистским пучком от тока пучка I _b.

При 1 МэВ и I_b = 2 I ₀ 25 кА (в пучке с 0,15 см при этом п_b  5 x 10¹² см^-3) 0,2, т.е. около 20% электрической энергии пучка может перейти в энергию электромагнитного излучения; мощность излучения составит 5 ГВт. Поскольку фазовая скорость электромагнитных волн при этом очень близка к скорости света, всё излучение практически без потерь будет выходить из плазмы (потери вследствие отражения от поверхности плазмы не превышают 2,5%).

Частота генерируемого излучения в случае даётся формулой:

 

 

Здесь - поперечное волновое число возбуждаемой пучком плазменной электромагнитной волны. В случае возбуждения аксиально-симметричных мод колебании в плазме с трубчатой геометрией, совпадающей с геометрией пучка (r_ь = r_р, ), имеем

 

Из формул (7) и (8) следуют весьма важные выводы. При условии

 

 

в системе будет возбуждаться одна единственная основная мода колебаний, частота которой растёт с увеличением плотности плазмы; т. е. частота, в отличие от вакуумной электроники, не жёстко связана с размерами резонатора, а может меняться в широком диапазоне. Для указанных выше 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 возбуждаемой волны близка к скорости света, поле волны сильно непотенциально, причём энергия поля составляет 20% от энергии пучка. А это означает, что напряжённость поля достигает величины Е _макс ⁼ 3 x 10⁶ В/см; такое поле может обеспечить ускорение заряженных частиц в плазме до энергии 300 МэВ на длине 100 см, что безусловно является ещё одним преимуществом сильноточной релятивистской плазменной электроники.

Такое высокоэффективное возбуждение электромагнитного излучения, так же как и эффективное ускорение заряженных 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 многомодового излучения, которое быстро поглощается электронами плазмы и приводит к их разогреву. Кпд преобразования энергии пучка в энергию многомодового излучения при этом остаётся прежним (6), что позволяет дать оценку разогрева электронов плазмы сильноточным релятивистским электронным пучком:

 

Для приведённых выше параметров пучка при п_р 10¹⁵ см^-3 имеем Т_е 500 эВ (5 x 10⁶К), что свидетельствует о возможности нагрева плазмы сильноточными пучками электронов до высоких термоядерных температур и инициирования термоядерных реакций.

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 таким преимуществам на плазменно-пучковом разряде с использованием сильноточных релятивистских электронных пучков реализованы химические лазеры на водородо-фтористых смесях, дающие когерентное излучение на длине волны 3 мкм с энергией до нескольких 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 субмикронного диапазона длин волн с энергией до 1 кДж в импульсе длительностью 40 нc и кпд до 10%.

Релятивистская плазменная электроника, в особенности экспериментальная, сделала только первые шаги. Теория уже сформулировала ряд интересных физических проблем, связанных с релятивизмом и сильноточностью пучков, которые требуют экспериментов исследования. Тем не менее, много нерешённых проблем осталось и у теории, и в первую очередь исследования различных механизмов взаимодействия электронных пучков с плазмой.

электроника квантовый вакуумный плазменный