Эксперимент в лаборатории проблем новых ускорителей ФИАНа по разработке носимого 30-киловольтного электрошокера с потенциалом ~1 миллион вольт на воздушном зазоре ~1 м.

 

Высотный атмосферный разряд в лабораторном эксперименте

 

В лаборатории проблем новых ускорителей ФИАН заработала экспериментальная установка, позволяющая исследовать процессы образования длинной искры в воздухе - наиболее близкого аналога допробойной фазы грозового разряда. Эксперименты на новой установке проводятся в соответствии с положениями теории пробоя на убегающих электронах, разрабатываемой академиком Александром Гуревичем

 

Электрические поля вблизи грозовых облаков существенно меньше, чем необходимо для электрического разряда в соответствии с теорией разряда в газах. Но молнии, тем не менее, зарождаются. Кроме того, во время грозы наблюдаются мощные вспышки рентгеновского излучения. Эти факты могут быть объяснены явлением пробоя на убегающих (высокоэнергетических) электронах (ПУЭ). В основе явления лежит классический механизм взаимодействия быстрых частиц с веществом. Убегающий электрон движется с такой высокой скоростью, что среда для него становится как бы прозрачной. Он ускоряется электрическим полем и благодаря столкновениям со своими "собратьями" вызывает целый каскад вторичных убегающих электронов, которые также ускоряются полем. В результате появляется экспоненциально нарастающая лавина убегающих электронов, вместе с которыми растет и число медленных (тепловых) электронов. Это приводит к быстрому росту электропроводности среды и последующему пробою. Серия полевых экспериментов на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН в общем виде такой механизм развития грозового разряда подтверждает. Теперь дело за лабораторным экспериментом.

 

Экспериментальная установка для моделирования аналога высотного атмосферного разряда создана сотрудниками Физического института РАН и Института сильноточной электроники СО РАН (Томск) на базе электронного релятивистского генератора, включающего в себя генератор импульсных напряжений. Исходная задача - получать микросекундный импульс напряжения порядка мегавольта на воздушном промежутке около одного метра - выполнена. В сегодняшней конфигурации установки (а она постоянно совершенствуется) можно "стрелять" импульсами 1,2 МВ с зазором в осевом направлении до 750 мм.

 

В эксперименте используется большое количество различных диагностик, позволяющих исследовать все фазы разряда, из которых самая интересная для исследователей - это начальная, так как именно там может происходить процесс убегания электронов. Когда зазор достаточно велик, основного разряда еще нет (тока в этот момент практически нет), но есть импульсы рентгеновского излучения. В воздушном промежутке создается квазиоднородное поле и в момент импульса, когда напряжение на зазоре нарастает, но процесс еще находится в предпробойной фазе, - "ловится" убегающий электрон. И таких "выстрелов" производится до тридцати в день.

 

Говорит старший научный сотрудник лаборатория проблем новых ускорителей ФИАН, кандидат физико-математических наук Александр Огинов: "Измеряется сразу несколько различных параметров, ведь каждый "выстрел" - это более десятка осциллографируемых сигналов с детекторов излучений. И это помимо измерения токов, напряжений... Наша задача - смоделировать не молнию, так как это многостадийный процесс, а ее начальный, то есть предпробойный этап, этап зарождения. При этом электроны регистрируются не непосредственно по току, а косвенно - электрон тормозится в воздухе и дает вспышку рентгеновского тормозного излучения, которая регистрируется рентгеновскими датчиками".

 

А совсем недавно заработала система оптической диагностики, включающая сверхскоростную камеру, собранную сотрудниками ФИАН на базе электронно-оптических преобразователей. Эта пятикадровая система позволит фиксировать фазы процесса уже с наносекундной экспозицией и наносекундными интервалами между кадрами.

 

"Сейчас идет этап накопления экспериментальных данных, но уже получено много новых интересных результатов. В планах - получить не статистический, а динамический эффект, то есть не ждать появления затравочного электрона, а научиться создавать его. И тогда, инжектируя затравочный пучок электронов, надеюсь, мы однозначно обнаружим усиление. И тем самым подтвердим возможность осуществления пробоя на убегающих электронах в соответствии с выводами теории", - констатирует Александр Огинов.

 

 

 

Лаборатория проблем новых ускорителей - Краткая история Лаборатории

 

Лаборатория была образована в 1968 г. после раздела Лаборатории ускорителей, возглавлявшейся академиком В.И.Векслером, на ряд меньших монотематических лабораторий. Первым заведующим лабораторией стал д.ф.м.н. А.А. Коломенский (лауреат Ленинской премии 1959 г.). Коллектив лаборатории, насчитывавший в то время около 60 сотрудников, сложился в процессе разработки и создания ускорителя нового типа - кольцевого фазотрона, который до середины 70-х гг. был основной установкой лаборатории. С начала 70-х годов в лаборатории начали разрабатываться теоретические основы физики сильноточных пучков, а затем было создано несколько экспериментальных установок данного типа (сильноточные электронные ускорители). За разработку и создание сильноточных ускорителей А.А.Коломенский и Б.Н.Яблоков были удостоены Государственной премии СССР (1981 г.). На этих ускорителях был выполнен целый ряд пионерских исследований с начала 70-х гг и до начала 90-х гг.

 

Сотрудники лаборатории внесли определяющий вклад в развитие физики сильноточных пучков:

 

 1) генерация и транспортировка сильноточных электронных пучков в различных средах, теория генерации и транспортировки сильноточных пучков, фокусировка пучков в диодах; 

 

 2) идентифицированы как отдельный физический объект частично нейтрализованные пучки электронов и исследованы методы генерации и управления ими;

 

 3) проведен обширный цикл пионерских теоретических и экспериментальных работ по исследованию явления магнитной изоляции в генераторах пучков и передающих линиях;

 

4) получены сильноточные электронные пучки с токами килоамперного диапазона с длительностью до 10 мкс;

 

 5) исследованы различные коллективные методы ускорения ионов в сильноточных электронных пучках и в частично нейтрализованных пучках;

 

 6) получена генерация мощного ВЧ-излучения в релятивистском магнетроне (3 ГВт на длине волны 3 см в 1976 г.), и генерация излучения в мазере на свободных электронах в различных диапазонах длин волн (до 200 кВт в субмиллиметровом диапазоне на длине волны 0,8 мм в 1986 г.);

 

 7) была впервые обоснована возможность и экспериментально получены пучки отрицательных ионов водорода с токами килоамперного диапазона. 

 

С конца 80-х - начала 90-х гг. лаборатория начала заниматься проблемами, связанными с созданием лазеров на свободных электронов, базируясь на накопленном опыте работ по генерации мощного ВЧ-излучения. Были проведены исследования различных типов фотокатодов, облучаемых лазерным излучением, для получения и управления электронными пучками, разработаны различные типы ондуляторов, в т.ч. сверхпроводящих, с уникальными параметрами, разработана и создана электронная пушка для получения прецизионного тонкостенного электронного пучка для черенковского лазера на свободных электронах. Была предложена концепция специализированного драйвера для лазера на свободных электронах на основе независимо фазируемых низкочастотных, по сравнению с обычно используемыми структурами, ВЧ-резонаторах, и начато создание инжекторной части ускорителя. По этой схеме позже началось сооружение лазеров на свободных электронах инфракрасного диапазона в Новосибирске и в Италии.

 

Вторым направлением стали исследования по физике быстрых Z- и X-пинчей. Х-пинч был предложен в Лаборатории в 1982 г., когда в ходе обсуждений экспериментов по взрывающимся проволочкам и различных путей улучшения согласования генератора с нагрузкой была предложена нецилиндрическая конфигурация нагрузки. Простейшая геометрически и легко реализуемая на практике конфигурация нагрузки представляет собой две проволочки, перекрещенные в виде буквы Х внутри диода - оконечного устройства мощного наносекундного генератора тока. Первые же эксперименты на таком устройстве позволили достичь экстремальных параметров плазмы, и название Х-пинч стало общепринятым в мире.

 

Теоретические исследования, проведенные в Лаборатории, нашли свое отражение в многочисленных публикациях в журналах, конференциях, а также в нескольких монографиях; А.А.Коломенский и А.Н.Лебедев "Теория циклических ускорителей", 1962; А.А.Коломенский "Физические основы методов ускорения заряженных частиц", 1980; А.Н.Лебедев и А.В.Шальнов "Основы физики и техники ускорителей" в 3-х томах, 1982 г. и переработанное издание под тем же названием в 1-м томе, 1992 г.; V.A.Buts, A.N.Lebedev, V.I.Kurilko “The Theory of Coherent Radiation by Intense Electron Beams”. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006; В.А.Буц, А.Н.Лебедев “Когерентное излучение интенсивных электронных пучков. Москва, ФИАН, 2006”, а также в многочисленных учебных пособиях МГУ и МИФИ. За развитие физики пучков заряженных А.Н.Лебедеву была присуждена в 1997 г. премия РАН им. В.И.Векслера.

 

С 2000 г. основные направления деятельности лаборатории сместились от экспериментальных исследований по генерации мощного излучения к использованию сильноточных ускорителей для экспериментальных исследований экстремальных состояний плазмы (X-пинчи), исследованию физических процессов по генерации сильноточных низкоэнергичных пучков электронов, разработкам элементов фотоинжекторов различного назначения (лазеры на свободных электронах, фотохронографы с высоким временным разрешением) и теоретическим исследованиями по физике интенсивных пучков и генерации излучения. На конкурсе научных работ ФИАНа 2004 г. работы по Х-пинчам заняли 1-е место.

 

 


А на первый взгляд мы тихие и безобидные ботаны...

В результате эксперимента обнаружены нейтроны, их происхождение выясняется.

Но откуда на последних секундах взялся звероподобный крик, я даже представить не могу!

http://youtu.be/VZeFraUtG1U

 

АНИ "ФИАН-информ"

лаборатория проблем новых ускорителей