Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

10 Содержание

Глава

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫКЛЮЧАЮЩИЕ

КОММУТАТОРЫ 402

§21.1 Общие сведения 402

§ 21.2 Физика полупроводниковых прерывателей тока 404

§21.3 Импульсные устройства с приборами на основе ДЦРВ 409

§21.4 Разработка 808-диодов 412

§21.5 Мощные наносекундные импульсные устройства на основе 808-диодов... 419

Литература к главе

422

Глава

ГЕНЕРАТОРЫ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ В СХЕМАХ *

С МАГНИТНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ 424

§ 22.1 Свойства магнитных элементов в импульсных магнитных полях 424

§ 22.2 Схемы генераторов мощных импульсов 426

§ 22.3 Генерирование мощных наносекундных импульсов 433

§ 22.4 Магнитные генераторы с использованием 808-диодов 440

Литература к главе 22 446

Глава

ДЛИННЫЕ ЛИНИИ С НЕЛИНЕЙНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ 448

§23.1 Введение 448

§ 23.2 Образование ударных электромагнитных волн путем набегания 450

§ 23.3 Диссипативный механизм образования ударных

электромагнитных волн 453

§ 23.4 Конструкции линий с ударными электромагнитными волнами 457

§ 23.5 Генерирование мощных наносекундных импульсов

с использованием УЭВ 461

Литература к главе 23 463

Часть VIII ЭЛЕКТРОННЫЕ И ИОННЫЕ ДИОДЫ

И УСКОРИТЕЛИ НА ИХ ОСНОВЕ

Глава 24 ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУЧКИ БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ 465

§24.1 Введение 465

§ 24.2 Структура пучков большого сечения 466

24.2.1 Эффект экранировки 466

24.2.2 Эффект подхвата 468

24.2.3 Эффект «мазков» 469

§ 24.3 Катоды диодов для пучков большого сечения 471

24.3.1 Многострийные катоды 471

24.3.2 Жидкометаллические катоды 474

§ 24.4 Металлодиэлектрические катоды 475

24.4.1 Взрывная эмиссия электронов из тройной точки 475

24.4.2 Конструкции металлодиэлектрических катодов 478

§ 24.5 Физические процессы в диодах для пучков большого сечения 482

24.5.1 Наносекундные пучки 482

11 Содержание

24.5.2 Пучки большого сечения микросекундной

и большей длительности 485

§ 24.6 Схемы и конструкции ускорителей с пучками большого сечения 488

Литература к главе 24 492

Глава

ТРУБЧАТЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУЧКИ 495

§25.1 Принцип работы диодов 495

§ 25.2 Устройство электронных пушек для КДМИ 498

§ 25.3 Катодная плазма в магнитном поле 500

25.3.1 Образование катодной плазмы и ее свойства 500

25.3.2 Движение катодной плазмы 504

§ 25.4 Формирование пучков электронов 510

§25.5 КДМИ с неоднородным магнитным полем 515

Литература к главе 25 520

Глава 26 ПЛОТНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУЧКИ И ИХ ФОКУСИРОВКА 523

§ 26.1 Особенности работы диодов 523

§ 26.2 Диоды с плоскими электродами 524

§ 26.3 Диоды с ножевыми катодами 529

§ 26.4 Фокусировка электронных пучков 535

Литература к главе 26 541

Глава 27 МОЩНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ПУЧКИ ИОНОВ 543

§ 27.1 Общие сведения 543

§ 27.2 Диоды с отражением электронов и пинч-диоды 545

§ 27.3 Магнито-изолированные диоды 549

§ 27.4 Источники ионов в диодах 552

Литература к главе 27 557

Часть IX МОЩНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Глава

МОЩНЫЕ ИМПУЛЬСЫ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 559

§ 28.1 К истории проблемы 559

§ 28.2 О физике рентгеновского излучения 561

§ 28.3 Характеристики рентгеновских импульсов 570

§ 28.4 Генераторы мощных рентгеновских импульсов 574

28.4.1 Рентгеновские трубки 574

28.4.2 Компактные импульсные рентгеновские аппараты 580

§ 28.5 Генераторы сверхмощных рентгеновских импульсов 584

§ 28.6 Мощные импульсные генераторы длинноволнового

рентгеновского излучения 591

Литература к главе 28 596

12 Содержание

Глава 29 МОЩНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ 598

§ 29.1 Принципы работы импульсных газовых лазеров 598

29.1.1 Общие сведения о газовых лазерах 598

29.1.2 Типы газовых лазеров 600

§ 29.2 Методы накачки мощных импульсных газовых лазеров 604

29.2.1 Общие сведения 604

29.2.2 Электроразрядные лазеры 606

29.2.3 Накачка МИГ-лазеров электронным пучком 609

29.2.4 Электроионизационные лазеры 613

§ 29.3 Конструкция и работа С0

-лазеров 614

§ 29.4 Конструкция и работа эксимерных лазеров 622

§ 29.5 Лазер на самоограниченных переходах молекулы азота 627

Литература к главе 29 631

Глава 30 ГЕНЕРИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ 634

30.1

Общие сведения 634

§ 30.2 Эффекты, лежащие в основе релятивистской СВЧ-электроники 636

§ 30.3 Экспериментальное исследование карсинотронов 640

§30.4 Виркаторы 648

§ 30.5 Генераторы мощных СВЧ-импульсов 652

§ 30.6 Радар на базе релятивистского наносекундного карсинотрона 660

Литература к главе 30 663

Глава

ГЕНЕРИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ПИКОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ 667

§31.1 О физике пикосекундных процессов 667

§31.2 Схемы и конструкции пикосекундных генераторов 671

§31.3 Импульсно-периодические генераторы 676

§ 31.4 Пикосекундные электронные пучки, СВЧ и рентгеновские импульсы 679

Литература к главе

684

Глава 32 ГЕНЕРИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСОВ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ 686

§ 32.1 Общие сведения 686

§ 32.2 Схемы для генерирования биполярных импульсов 689

§ 32.3 Антенны для СШП излучения 691

§ 32.4 Конструкции мощных СШП генераторов 696

Литература к главе 32 703

Предисловие

Предлагаемая читателям монография посвящена новому и быстро развиваю-

щемуся направлению технической физики - импульсной энергетике и электронике

большой мощности. Речь идет об импульсных энергетических установках с такими

огромными параметрами, как мощность до 10

Вт, напряжение до 10

-Н0

В и ток

до 10

А и более. Напомним, что величина 10

Вт, т.е. один тераватт, по порядку

величины равна всем электростанциям мира, вместе взятым. Длительность им-

пульсов в таких установках обычно не превышает величину порядка

10~

с. Таким

образом, это мощная наносекундная импульсная энергетика. В зависимости от на-

значения установок они могут работать как в одиночном, так и в импульсно-

периодическом режимах. Естественно, что предельно большие параметры импуль-

сов можно получать только при работе генераторов в одиночном режиме. При зна-

чительно меньших параметрах импульсов, чем те, что указаны выше, сейчас дос-

тижимы частоты следования импульсов до 10

Гц.

Импульсная энергетика не является альтернативой обычной энергетике с пере-

менным или постоянным током. Эта энергетика предназначена для решения дру-

гих задач, она работает на принципиально другие нагрузки, о которых мы скажем

ниже. Развитие этой экзотической энергетики потребовало создания всех элемен-

тов, имеющих аналоги в обычной энергетике, таких, как генераторы импульсов,

коммутаторы, трансформаторы, линии для передачи энергии, системы для преоб-

разования формы импульсов и т.д. Естественно, что все эти элементы работают на

иных физических принципах, чем в обычной энергетике. Главное отличие состоит

в том, что все элементы импульсной энергетики большой мощности должны рабо-

тать в наносекундном диапазоне времени. Спектр гармоник наносекундных им-

пульсов распространяется вплоть до сверхвысоких частот, поэтому для генериро-

вания и передачи таких импульсов необходимо, чтобы аппаратура обеспечивала

широкую полосу пропускания частот и в то же время могла выдерживать без про-

боя высокие напряжения. Для получения таких коротких времен в активных эле-

ментах рассматриваемой нами энергетики используются самые различные физиче-

ские явления, такие, как электрический разряд в газе, вакууме, жидких и твердых

диэлектриках, электрический взрыв проводников, эффекты быстрого перемагничи-

вания ферромагнетиков, быстропротекающие процессы в полупроводниках, неус-

тойчивости в плазме, переходные процессы в линиях и т.д.

Необходимо отметить, что физика процессов в упомянутых выше активных эле-

ментах одинакова в широких диапазонах параметров импульсов, поэтому это дало

14 Предисловие

автору возможность построить достаточно стройную идеологию импульсной энерге-

тики большой мощности в диапазоне параметров 10

-Ч0

Вт.

Что же является нагрузкой в импульсной энергетике большой мощности, т.е.

для чего она применяется? Исторически одним из первых применений было ис-

следование скорости развития разряда в твердых, жидких и газообразных диэлек-

триках при воздействии высоких электрических полей. Затем следует назвать вы-

сокоскоростную фотографию, где импульсы высокого напряжения наносекундной

длительности вначале с электрооптическими затворами, а затем с электронно-оп-

тическими преобразователями используются для исследования сверхбыстрых про-

цессов в плазме, при взрывах проводников, различных электрических разрядов и

т.д. В радиолокации короткие импульсы уже давно используются для определения

с большой точностью расстояний до цели. Получение кратковременных импульсов

рентгеновских лучей позволило получить ряд фундаментальных результатов в об-

ласти баллистики и физики взрывов. Высоковольтная наносекундная импульсная

техника сыграла исключительную роль при создании искровых и стримерных ка-

мер, которые сейчас являются одним из основных инструментов ядерной физики.

Количество примеров можно было бы продолжать и дальше. Укажем еще только на

один - это квантовая электроника. Техника мощных наносекундных импульсов

позволила в 60-х-70-х годах XX в. сделать настоящий прорыв в лазерной физике и

технике - разработать первые мощные импульсные твердотельные лазеры, а также

целую гамму мощных газовых лазеров от ультрафиолетовых до инфракрасных

длин волн.

Однако настоящая революция в импульсной энергетике большой мощности

произошла в середине 60-х годов после создания независимо в США и СССР

мощных наносекундных ускорителей электронов. Исключительно важным было

открытие, сделанное автором монографии и его группой, что электронная эмиссия

в диодах этих ускорителей является принципиально новым физическим явлением,

которое не было известно ранее и получило название взрывной эмиссии электро-

нов (ВЭЭ). Ранее же считалось, что это автоэлектронная эмиссия. Создание таких

ускорителей и использование мощных электронных пучков для различных целей

позволили говорить о создании импульсной электроники большой мощности. Эти

направления энергетики и электроники, как будет показано ниже, теснейшим обра-

зом связаны друг с другом. Поэтому автор решил описать эти два направления в

одной монографии.

Что же включает в себя импульсная электроника большой мощности?

Во-первых, исследование свойств электронных пучков при токах до 10

А и

особенностей взрывной электронной эмиссии. Во-вторых, исследование свойств

мощных ионных пучков, получаемых из плазмы, образующейся вследствие взаи-

модействия мощных пучков электронов с анодом. В-третьих, генерирование мощ-

ных импульсов электромагнитного излучения, такого, как рентгеновское, лазерное

и СВЧ. Наконец, создание импульсных наносекундных ускорителей электронов с

мощностью в импульсе до 10

Вт и энергией электронов 10

-Ч0

эВ, работающих в

импульсно-периодическом режиме с частотами 10

-Ч0

Гц. Они выполняют все те

же функции, что и обычные стационарные ускорители, т.е. используются в меди-

цине и пищевой промышленности для стерилизации, очистки воздуха и воды от

вредных примесей, создания медицинских рентгеновских аппаратов, модификации

Предисловие 15

свойств материалов и т.д. Они компактнее обычных ускорителей и имеют не мень-

ший срок службы.

Монография состоит из 9 частей, включающих 32 главы. Первая часть посвя-

щена основам наносекундной импульсной техники. В ней рассмотрены некоторые

вопросы теории электрических цепей, свойства длинных линий, а также простей-

шие схемы генерирования импульсов в схемах с сосредоточенными и распреде-

ленными параметрами.

Вторая часть посвящена физике импульсных электрических разрядов в вакуу-

ме, газе и жидких диэлектриках. Знание свойств электрического разряда в вакууме

помогает, с одной стороны, понять, как конструировать электрическую изоляцию в

диодах импульсных ускорителей электронов, с другой стороны, правильно выбрать

конструкцию вакуумных коммутаторов и понять механизм их работы, наконец,

поскольку начальной фазой вакуумного разряда является взрывная электронная

эмиссия, то изучение вакуумного разряда - это изучение ВЭЭ. Исследование им-

пульсного разряда в газе важно для понимания работы газоразрядных коммутато-

ров и газовых лазеров. Сведения об электрическом разряде в жидких диэлектриках

помогут понять работу жидкостных коммутаторов.

Третья часть посвящена свойствам коаксиальных линий с твердой, жидкой и

вакуумной изоляцией, которые обычно используются для двух целей: это накопле-

ние энергии в генераторах мощных импульсов, а также транспортировка энергии

импульсов. Причем в случае с вакуумной линией рассмотрен режим работы в ус-

ловиях с магнитной самоизоляцией, когда собственное магнитное поле тока так

велико, что оно возвращает электроны ВЭЭ обратно на катод, что затрудняет ваку-

умный пробой в линии.

Четвертая часть посвящена анализу работы различных типов искровых комму-

таторов. Среди них коммутаторы высокого давления, низкого давления, а также

коммутаторы с разрядом в твердых и жидких диэлектриках. Наибольшее практиче-

ское применение получили разрядники с высоким давлением газа, поэтому им уде-

лено наибольшее внимание. В частности, обстоятельно описана работа последова-

тельного многоэлектродного разрядника, который является очень перспективным

коммутатором для импульсной энергетики большой мощности.

Все генераторы мощных импульсов, которые рассматриваются в настоящей

монографии, работают на двух принципах. Первый из них - это генераторы с на-

коплением энергии в емкостном накопителе (конденсатор или формирующая ли-

ния), который при помощи коммутатора подключается к нагрузке. Такие устройст-

ва называют генераторами с замыкающими коммутаторами. Второй принцип

состоит в том, что энергия накапливается в индуктивности, а для того чтобы полу-

чить электрический импульс, нужно быстро выключить ток в цепи с накопитель-

ной индуктивностью при помощи размыкающих коммутаторов.

Поэтому в пятой части рассматриваются принципы работы и конструкции

мощных импульсных генераторов с плазменными замыкающими коммутаторами.

Это как раз те искровые коммутаторы, которые мы рассматриваем в четвертой час-

ти монографии. Здесь рассмотрены генераторы с разрядом конденсаторов и нако-

пительных линий, генераторы Маркса, а также генераторы с зарядкой емкостных

накопителей от различных трансформаторов и импульсных схем умножения на-

пряжения.

16 Предисловие

Что касается шестой части монографии, то в ней проанализирована работа ге-

нераторов мощных импульсов с размыкающими плазменными коммутаторами. Это

генераторы с электрическим взрывом проводников, с плазменными прерывателями

тока, а также газоразрядные коммутаторы с электронным управлением тока с по-

мощью инжекционного тиратрона.

В седьмой части дается описание работы полупроводниковых и магнитных

коммутаторов и генераторов мощных наносекундных импульсов на их основе.

Анализируется работа замыкающих полупроводниковых коммутаторов - импульс-

ных тиристоров микросекундного, наносекундного и субнаносекундного диапазо-

нов. Особый интерес представляют полупроводниковые выключающие коммута-

торы, так называемые 808-диоды, которые могут работать при напряжениях до

1 МВ, плотности тока в диоде до 10

А/см

и частотах следования импульсов более

Гц. Магнитные коммутаторы представляют большой интерес с точки зрения

компрессии энергии импульса, т.е. существенного увеличения его мощности и

уменьшения длительности импульса. Симбиоз 808-диодов и магнитных компрес-

соров, по сути дела, позволил создать совершенно новое направление в импульс-

ной энергетике большой мощности. В конце этой части дается описание длинных

линий с нелинейными погонными параметрами. В таких линиях при определенных

условиях в результате возникновения ударных электромагнитных волн можно по-

лучать длительности фронтов импульсов менее

не.

В восьмой части монографии рассматривается работа диодов для получения

различных типов мощных электронных пучков, таких, как электронные пучки

большого сечения, трубчатые электронные пучки, а также плотные и сфокусиро-

ванные электронные пучки. Все эти пучки имеют различное назначение. Первые

используются для накачки мощных газовых лазеров и технологических примене-

ний. Вторые - для генерации СВЧ излучения, а третьи - для нагрева плазмы и ис-

следования ее свойств. В конце этой части дано описание диодов для получения

мощных импульсных пучков ионов и методов их получения. Особое внимание

уделено диодам с отражением электронов, пинч-диодам и магнито-изолированным

диодам.

Заключительная, девятая часть монографии является самой большой по объему

и содержит пять глав. Она посвящена мощным импульсным источникам электро-

магнитного излучения, таким, как рентгеновские генераторы, газовые лазеры, ис-

точники СВЧ излучения, а также мощным пикосекундным импульсам и их исполь-

зованию для генерирования сверхширокополосного излучения. Необходимо отме-

тить, что создание всех этих уникальных источников стало возможным только

благодаря развитию импульсной энергетики и электроники большой мощности.

Импульсная мощность указанных выше устройств увеличилась на многие порядки

по сравнению с теми, что существовали ранее.

В заключение хотелось бы сделать ряд общих замечаний. Описываемый в на-

стоящей монографии материал касается очень многих разделов физики, таких как

физика плазмы, физика газовых разрядов, физика полупроводников, физика маг-

нитных явлений, физика конденсированного состояния вещества, физика эмисси-

онных процессов, физика пучков заряженных частиц и т.д. Во всех этих разделах

физики установились традиционные символы для обозначения физических ве-

личин. Поэтому при написании монографии мы старались оставить именно эти

Предисловие 17

символы, несмотря на то что в других разделах физики они обозначают другие

процессы. Нумерация формул, рисунков и таблиц в книге двойная: первая часть

указывает номер главы, а вторая - порядковый номер. Однако при ссылках в пре-

делах одной главы указывается только порядковый номер.

Значительная часть результатов, описанных в этой монографии, была получена

автором и его сотрудниками в Томском политехническом университете, а также в

двух институтах Российской академии наук, созданных автором и длительное вре-

мя возглавляемых им. Это Институт сильноточной электроники (г. Томск) и Инсти-

тут электрофизики (г. Екатеринбург). Результаты этих исследований были опубли-

кованы в многочисленных статьях автора, его диссертациях, патентах, а также в

целом ряде монографий, первая из которых появилась в 1963 г. В книге использо-

ваны также важнейшие результаты, полученные в лабораториях США, России и

Великобритании. Особенностью монографии является то, что автор особое внима-

ние уделял пионерским работам, за которыми следовали потом целые направления

в области импульсной энергетики и электроники большой мощности. Однако автор

не уверен, что ему это во всех случаях удалось правильно делать из-за того, что

многие работы в этой области как в России, так и за рубежом долгое время остава-

лись закрытыми. Поэтому автор заранее приносит извинения за возможные неточ-

ности в цитировании приоритетных работ.

В заключение автор хотел бы поблагодарить своих коллег за помощь, которая

была ему оказана при написании монографии. В частности, глава 10 была напи-

сана при участии В.Д. Королева, глава 27 - В.М. Быстрицкого, Э.З. Тарумова,

глава 32 - В.И. Кошелева. При обсуждении различных глав монографии полез-

ные замечания были сделаны Э.Н. Абдуллиным, С.А. Баренгольцем, С.А. Дарз-

неком, Б.М. Ковальчуком, С.Д. Коровиным, Ю.Д. Королевым, В.И. Кошелевым,

Д.И. Проскуровским, Н.А. Ратахиным, С.Н. Рукиным, В.Ф. Тарасенко, В.Г. Шпа-

ком, М.И. Яландиным, за что автор их благодарит. Автор благодарен также

В.Д. Новикову за полезные советы при подготовке рукописи к печати.

При оформлении рукописи и подготовке ее к печати большая помощь была ока-

зана автору его многолетними сотрудницами И.В. Каминецкой, Е.Ю. Уймановой и

Л.И. Фридман.

Г. А. Месяц

2. Месяц Г А.

Основные обозначения

В магнитная индукция

С емкость

с скорость света в вакууме

В диаметр; доза радиоактивного излучения

Л диаметр; длина разрядного промежутка

Е напряженность электрического поля

8 эдс

е заряд электрона; основание натуральных логарифмов

/ частота

Н напряженность магнитного поля

И высота; постоянная Планка

И удельное действие

/ ток

у плотность тока

к постоянная Больцмана

Ь индуктивность

/ длина

М масса (молекулы)

т масса электрона

N населенность; число (каких-либо элементов); номер

п концентрация; число (каких-либо элементов); номер

Р мощность

р давление

0 заряд

Я заряд

К сопротивление; радиус; постоянная Ридберга

г радиус

5 площадь

Т температура

1 время

I] напряжение

Основные обозначения

V объем

V СКОРОСТЬ

Ж энергия

м? число витков обмотки

х координата

2 волновое сопротивление; импеданс

а коэффициент ударной ионизации

(3 коэффициент рекомбинации, коэффициент усиления

электрического поля

у коэффициент вторичной эмиссии; релятивистский фактор

8 диэлектрическая проницаемость; энергия

г] кпд; коэффициент Ламе

X длина волны

ц магнитная проницаемость

V частота

р плотность

а сечение; удельная проводимость

т время

X удельное сопротивление

у скорость ионизации

со угловая частота