Разработка компактных источников ускоренных электронов с применением мощных ультракоротких микроволновых и высоковольтных импульсов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-19-00407

НазваниеРазработка компактных источников ускоренных электронов с применением мощных ультракоротких микроволновых и высоковольтных импульсов

Руководитель Яландин Михаил Иванович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-303 - Сильноточная электроника и электроника больших мощностей

Ключевые слова Интенсивные электронные пучки, ультракороткие импульсы, микроволновое сверхизлучение, высокоградиентное ускорение, ускоряющие структуры, высоковольтные драйверы

Код ГРНТИ47.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на развитие методов высокоградиентного ускорения и разработку на этой основе компактных (в том числе, desktop) источников электронов с энергиями от нескольких до 10-15 МэВ. Актуальность создания таких источников обусловлена рядом практических приложения, включая изучение радиационных эффектов, реализацию систем неразрушающего контроля и установок лучевой терапии, анализ устойчивости к воздействию электронных компонент, а также динамическую радиографию. Получение потоков ускоренных электронов, так или иначе, основано на использовании электрических полей высокой напряженности, которые могут создаваться различными способами и, в том числе, в ускоряющих металлических (или диэлектрических) структурах или резонаторах, накачиваемых внешними СВЧ источниками, а также в ускоряющих высокопотенциальных электродных промежутках. В Проекте будут использованы оба перечисленных подхода. При накачке металлических структур микроволновым излучением основная проблема заключается в конечной электрической прочности электродинамической системы, где сильные поля ещё до актов ускорения могут инициировать эмиссию электронов из стенок, их нагрев и развитие вакуумных СВЧ пробоев. Поэтому рекордные градиенты ускорения электронов в металлических структурах порядка 100 МВ/м удаётся превысить, сократив длительность и увеличив мощность их накачки. Такой подход был реализован в предыдущем проекте РНФ № 21-19-00260, где было продемонстрировано высокоградиентное (с полями ~400-500 МВ/м) ускорение электронов при наборе энергии ~1 МэВ при накачке низкодобротного полуволнового резонатора гигаваттным субнаносекундным импульсом сверхизлучения (СИ) Ka-диапазона. В предлагаемом Проекте планируется развитие концепции короткоимпульсного ускорения с целью существенного увеличения полного набора энергии частиц. Для этого будут выполнены теоретические и экспериментальные исследования оригинальных схем ускорения с запиткой ускорительных структур (как резонаторного типа, так и структур на бегущей волне) наносекундными импульсами Ka- и X-диапазонов, за счет чего будет обеспечено долговременное электронно-волновое взаимодействие. Предполагается, прежде всего, исследование комбинированных систем «генератор-ускоритель», в которых пучок, генерирующий электромагнитный импульс в релятивистской ЛОВ, и тестовый (ускоряемый) пучок будут формироваться на основе одного высоковольтного драйвера СИНУС-6. Другое направление здесь предполагает использование двух синхронизированных (с достижимой точностью 100 пс) компактных драйверов РАДАН, один из которых будет формировать генерирующий, а второй – тестовый электронные пучки. Планируется также решение связанных задач по формированию для накачки структур ультракоротких СВЧ импульсов и их последовательностей, а также анализ возможности их фазировки. Второй заявленный подход предполагается реализовать при выполнении приоритетных исследований по прямому однопроходному высокоградиентному ускорению в вакуумном диоде электронного сгустка пикосекундной длительности при питании взрывоэмиссионного катода высоковольтным импульсом с амплитудой порядка ‒2 МВ, при длительности на полувысоте около 100 пс. Такой уникальный импульс с мощностью порядка 100 ГВт формируется твердотельным модулятором (без каких-либо высоковольтных замыкающих коммутаторов) в системе компрессии энергии наносекундного драйвера в виде каскада гиромагнитных нелинейных передающих линий. Актуальность и значимость формирования мультигигаваттного пикосекундного сгустка определяется возможностью получения с его помощью сверхмощных вспышек тормозного излучения с мишеней и изучения реакции объектов при уникальной скорости ввода энергии при рекордном прогнозируемом темпе нарастания мощности порядка 1 ТВт/нс.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
За отчетный период выполнены следующие работы: 1. Определены две наиболее перспективные для мульти-МэВ набора энергии схемы ускорения электронов в конфигурации «генератор-ускоритель» на основе высоковольтного драйвера «СИНУС». В этих схемах излучение, генерируемое лампой обратной волны (ЛОВ) X-диапазона с сильноточным трубчатым пучком, используется для ускорения второго нитевидного приосевого пучка, создаваемого тем же сильноточным ускорителем. 1.1 В первой схеме одноячеечная резонаторная ускоряющая структура типа «pill-box» длиной 15 мм запитывается импульсом сверхизлучательной ЛОВ с частотой 10 ГГц, мощностью 3 ГВт и длительностью 0.65 нс. В моделировании показано, что пролетающие через ячейку электроны ускоряются до максимальной энергии 4 МэВ, причем значительная доля электронов имеет энергию выше 3 МэВ; заряд этой высокоэнергетичной части сгустка составляет до 1 нКл. При этом, СВЧ-поле на стенке ячейки поддерживается ниже значений, для которых ранее была продемонстрирована работа без пробоя в наносекундных импульсах. 1.2 Во второй схеме, структура на бегущей волне в виде цепочки связанных резонаторов с рабочей частотой 13.8 ГГц запитывается СВЧ-импульсом от релятивистской ЛОВ длительностью 5 нс и мощностью 1 ГВт. Считается, что структура установлена после коллектора ЛОВ в том же вакуумном объеме. Согласно расчетам, максимальное ускоряющее поле в этом случае достигает 250 МВ/м. В структуре с девятью регулярными ячейками (полная длина около 90 мм) электроны с начальной энергией 500 кэВ ускоряются примерно до 20 МэВ, причем значительная доля частиц на выходе имеет энергию выше 14 МэВ. 2. Предложена и подробно разработана схема ускорительного эксперимента с использованием двух синхронизированных компактных драйверов РАДАН-303. Один из драйверов при этом формирует трубчатый пучок для ЛОВ Ka-диапазона, которая генерирует СВЧ-импульс с мощностью 200 МВт и длительностью 2 нс на частоте 38 ГГц, а второй РАДАН формирует тестовый тонкий нитевидный пучок с энергией частиц 300 кэВ. Рассчитана линия передачи излучения от ЛОВ ко второму драйверу и три различные варианта ввода мощности в ускорительные структуры на бегущей волне: боковой, двусторонний боковой и через систему отверстий связи между параллельными прямоугольным входным и цилиндрическим выходным волноводами. Показано, что резонансный узел ввода излучения является также и группирователем электронного пучка, позволяющим значительно увеличить долю электронов, ускоренных до высоких энергий. Выполнены расчеты ускорения для двух вариантов структур: в виде синусоидально гофрированного волновода и в виде цилиндрического волновода с частичным диэлектрическим заполнением; максимальная энергия ускоренных электронов в этих системах составляет 10 и 20 МэВ, соответственно, при среднем темпе ускорения около 1 МВ/м. Разработаны конструкции основных узлов эксперимента; определены методы изготовления ускорительных структур. 3. На основе идей построения линейного ускорителя с каскадом дрейфовых трубок (Изинг, 1924; Видероэ, 1928), на которые подаются биполярные импульсы напряжения, разработан метод ускорения субнаносекундного сильноточного электронного пучка при питании последовательных ускоряющих промежутков униполярными импульсами независимых высоковольтных драйверов. В численном моделировании демонстрируется двукратное увеличение энергии электронов (до ≈ 500 кэВ), предварительно ускоренных в вакуумном диоде до 250 кэВ, при дополнительном ускорении в промежутке, запитанным прецизионно синхронизированным импульсом напряжения второго драйвера РАДАН-303. Отрицательная полярность обоих ускоряющих импульсов и точность их синхронизации диктует наличие между промежутками дрейфовой трубки с длиной не менее некоторой. На основании схемы, использованной в численном моделировании, разработана конструкция двухкаскадной ускорительной секции для проведения натурных экспериментов. 4. В численном моделировании передачи пикосекундного мегавольтного импульса на вакуумный диод сильноточного электронного ускорителя проанализированы искажения импульса генератора S-100 с пиковой мощностью 100 ГВт и длительностью 100 пс при его доставке по передающему тракту (коаксиальной линии) на катод вакуумного электронного диода ИМА3-150Э или его рентгеновского аналога. Основное внимание уделено учёту искажений из-за потерь энергии в проводниках линии и её изоляции (трансформаторном масле). Найдены оптимальные параметры конического перехода линии и оценочные параметры электронного пучка, которые составили: максимальная энергия 2.6 МэВ, ток 21 кА, длительность импульса тока 115 пс.

Публикации

1. Патраков В.Е., Рукин С.Н., Шунайлов С.А., Яландин М.И. Передача пикосекундного мегавольтного импульса на вакуумный диод Proceedings of 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE–2024) , P.82-87 (год публикации - 2024)
10.56761/EFRE2024.S1-P-026903

2. Вихарев А.А., Зотова И.В., Федотов А.Э., Гинзбург Н.С., Яландин М.И. Высокоградиентные структуры для ускорения электронов коротковолновыми импульсами черенковского сверхизлучения Известия Вузов. Радиофизика, Т.68, Вып.1 (год публикации - 2025)

3. Патраков В.Е., Рукин С.Н., Шунайлов С.А., Яландин М.И. Simulation of the Output Stage of Picosecond Multi-Gigawatt Electron Accelerator Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 88 (год публикации - 2025)

4. Лобанов Л.Н., Шарыпов К.А., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Ульмаскулов М.Р., Яландин М.И. Каскадное ускорение субнаносекундного электронного пучка Proceedings of 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE–2024) , P.65-70 (год публикации - 2024)
10.56761/EFRE2024.S1-P-00610

5. Лобанов Л.Н., Шарыпов К.А., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Ульмаскулов М.Р., Яландин М.И. Approaches to the cascade acceleration of subnanosecond electron beams Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 88 (год публикации - 2025)

6. Зотова И.В., Федотов А.Э., Вихарев А.А., Гинзбург Н.С., Шарыпов М.И., Шунайлов С.А., Шпак В.Г. и Яландин М.И. High-gradient acceleration of electrons by relativistic microwave sources Proceedings of FRONTIERS OF NONLINEAR PHYSICS – 2024, P.167 (год публикации - 2024)

7. Вихарев А.А., Федотов А.Э., Зотова И.В., Гинзбург Н.С., Яландин М.И. Simulation of traveling-wave high-gradient accelerating structures driven by nanosecond Ka-band pulses Proceedings of 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE–2024), P.263-265 (год публикации - 2024)
10.56761/EFRE2024.S3-O-025701

8. М. И. Яландин, В. В. Ростов ВАРИАЦИЯ ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ЛОВ Ka-ДИАПАЗОНА В НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ ГЕНЕРАЦИИ ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, №11, C. 1-15. (год публикации - 2025)
10.30898/1684-1719.2025.11.11

9. Патраков В.Е., Лобанов Л.Н., Педос М.С., Рукин С.Н., Шарыпов К.А., Шунаилов С.А., Тимошенков С.П., Яландин М.И. Subnanosecond, Megavolt-range vacuum diodes: the state of the art Abstracts of 17th Int. Conf. Gas Discharge Plasmas and Their Applications, GDP 2025, Ekaterinburg, Russia, 8-12 September 2025, C. 258. (год публикации - 2025)

10. М. И. Яландин, В. В. Ростов Modeling of fine tuning the parameters of high-current electron beam formed in a vacuum magnetically isolated coaxial diode Abstracts of 17th Int. Conf. Gas Discharge Plasmas and Their Applications, GDP 2025, Ekaterinburg, Russia, 8-12 September 2025, C. 263 (год публикации - 2025)

11. А.Н. Леонтьев, А.А. Вихарев, Н.С. Гинзбург, И.В. Зотова, А.Э. Федотов, М.И. Яландин Высокоградиентное ускорение электронов наносекундными импульсами релятивистских СВЧ-генераторов Тезисы «IV Всероссийской школы-семинара Национального Центра Физики и Математики для студентов старших курсов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорительной технике», 28 июля – 1 августа 2025, г. Саров., С.29-30 (год публикации - 2025)

12. Л. Н. Лобанов, А. Г. Садыкова, К. А. Шарыпов, В. Г. Шпак, С. А. Шунаилов и М. И. Яландин Cascade acceleration of an explosive-emission subnanosecond electron beam Physics of Plasmas, Vol. 32, Art. no. 033103 (год публикации - 2025)
10.1063/5.0257386

13. Н. С. Гинзбург, Л. А. Юровский, А. В. Палицин, И. В. Зотова, Ю. Ю. Данилов, М. И. Яландин Использование импульсов сверхизлучения для накачки многопроходных комптоновских лазеров на свободных электронах терагерцового диапазона Письма в ЖЭТФ, м 122, вып. 3, с. 147 – 152 (год публикации - 2025)
10.31857/S0370274X25080048

14. А.А. Вихарев, А.Е. Федотов, И.В. Зотова, Н.С. Гинзбург и М.И. Яландин Numerical study of traveling-wave structures for electron acceleration by microwave pulses produced by relativistic backward-wave oscillator Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 89, No. 9, pp. 1555–1564. (год публикации - 2025)
10.1134/S1062873825712231

15. Л. Н. Лобанов, В. В. Ростов, С. А. Шунайлов, М. И. Яландин Моделирование генерации цуга субнаносекундных микроволновых пиков Ka-диапазона релятивистской ЛОВ в режиме модуляции тока пучка ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. РАДИОФИЗИКА, Т. 68, № 9. C. 751–763 (год публикации - 2025)
10.52452/00213462_2025_68_09_751

16. В. Е. Патраков, Л. Н. Лобанов, М.С. Педос, С. Н. Рукин, К. А. Шарыпов, С. А. Шунайлов, С.П. Тимошенков, М. И. Яландин Пикосекундный ускоритель электронов с энергией 3 МэВ и мощностью 40 ГВт ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, № 11, C. 1–15 (год публикации - 2025)
10.30898/1684-1719.2025.11.14

17. Н. М. Зубарев, Л. Н. Лобанов, К. А. Шарыпов, В. Г. Шпак, С. А. Шунайлов, М. И. Яландин Эксперименты по каскадному ускорению ультракоротких электронных пучков высоковольтными импульсами в вакууме и газе Тезисы докладов "ХIII ВСЕРОССИЙСКОГО СЕМИНАРА ПО РАДИОФИЗИКЕ МИЛЛИМЕТРОВЫХ И СУБМИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН", C. 11. (год публикации - 2025)

18. А.А. Вихарев, Н.С. Гинзбург, И.В. Зотова, А.Э. Федотов, Л.Н.. Лобанов, К.А. Шарыпов, С.А. Шунайлов, М.И. Яландин Перспективы использования релятивистских СВЧ-генераторов для ускорения электронов Тезисы докладов "ХIII ВСЕРОССИЙСКОГО СЕМИНАРА ПО РАДИОФИЗИКЕ МИЛЛИМЕТРОВЫХ И СУБМИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН", C. 19. (год публикации - 2025)

19. Л. Н. Лобанов, В. В. Ростов, С. А. Шунайлов, М. И. Яландин О возможности генерации цуга субнаносекундных микроволновых пиков Ka-диапазона в режиме модуляции тока пучка в релятивистской ЛОВ Тезисы докладов "ХIII ВСЕРОССИЙСКОГО СЕМИНАРА ПО РАДИОФИЗИКЕ МИЛЛИМЕТРОВЫХ И СУБМИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН", C. 54. (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1.1. Для планируемых экспериментов по ускорению электронов мощными СВЧ импульсами наносекундной длительности рассчитана релятивистская лампа обратной волны с частотой около 12.5 ГГц и мощностью 200 МВт. Методом 3D печати с последующей металлизацией изготовлен макет ускоряющей структуры на бегущей волне с рабочей частотой 12.5 ГГц и проведены измерения его электродинамических характеристик, а также продольного распределения электрического поля. Результаты измерений с хорошей точностью соответствуют результатам расчетов. Сконструирован, изготовлен и протестирован на сильноточном ускорителе взрывоэмиссионный двойной катод, создающий два соосных электронных пучка; внешний сильноточный трубчатый пучок предназначен для генерации СВЧ импульсов в релятивистской ЛОВ, а электроны внутреннего нитевидного тестового пучка предполагается ускорять в ускоряющей структуре, запитываемой излучением ЛОВ. Получены отпечатки пучков на мишени и проведены измерения зависимости тока внутреннего пучка от положения катода, измеренная зависимость качественно соответствует рассчитанной напряженности электрического поля на катоде. Показана возможность регулировки тока в диапазоне 20-60 А. Для нахождения распределения ускоренных частиц по энергии в эксперименте по ускорению электронов рассчитана измерительная система на основе магнитной катушки, отклоняющей пучок в поперечном направлении, и регистрирующего ток шунта. 1.2. Предложена ускоряющая структура в виде цепочки резонаторов на π-моде с распределенной системой запитки, рассчитанная на использование импульсов черенковского сверхизлучения с частотой 90 ГГц и длительностью 800 пс. Согласно расчетам, при влете в структуру пикосекундного сгустка с начальной энергией частиц 3 МэВ максимальная энергия на выходе структуры достигает 12 МэВ, Разработана волноводная система для ввода излучения в ускоряющую структуру, состоящая из делителей мощности и линий задержки. В качестве возможного применения формируемых релятивистских электронных сгустков и импульсов сверхизлучения рассмотрена схема комптоновского лазера на свободных электронах терагерцового диапазона, в котором микроволновый импульс (90 ГГц, 0.7 нс, 150 МВт) рассеивается на сгустках с энергией частиц несколько МэВ. В численном моделировании показана возможность генерации импульсов терагерцового излучения с частотой 8.5 ТГц и пиковой мощностью 18 МВт. 2. В численном эксперименте методом крупных частиц проведено исследование структуры поперечных скоростей трубчатого сильноточного электронного пучка, проходящего через анодное сужение коаксиального магнитоизолированного диода. Обнаружен эффект нарастания поперечных скоростей с приближением пучка к стенке сужения, когда коллимации тока ещё нет. Это происходит из-за усиления радиального электрического поля между электроном и его наведённым в металле «отражением» другой полярности. Показано, что поперечные скорости влияют на время возникновения затравочного электромагнитного сигнала. Это варьирует переходной процесс нестационарной релятивистской ЛОВ Ka-диапазона, мощность генерации которой не меняется. Кроме отмеченного, приведены данные натурных экспериментов, в которых смещение лидирующего пика генерации ЛОВ, сопровождаемое падением его мощности, обеспечивается при удалении трубчатого пучка от гофрировки замедляющей системы при изменении степени декомпрессии магнитного потока соленоида. Показано, что без изменения мощности излучения смещение начала СВЧ генерации ЛОВ также возможно при изменении обострения фронта напряжения на катоде. 3. Продемонстрированo каскадное ускорение замагниченного сильноточного субнаносекундного электронного пучка (≈15 kA/cm2) в двух разделённых дрейфовой трубкой промежутках, на которые от автономных высоковольтных генераторов RADAN подавались синхронизированные импульсы напряжения отрицательной полярности приблизительно одинаковой амплитуды (≈200 kV). Длительность импульсов (1 и 0.5 ns) определялась точностью их синхронизации (±200 ps). Электроны пучка регистрировались коллекторным датчиком пикосекундного разрешения после их прохождения через фольговые фильтры с варьируемой толщиной (энергией отсечки). Определено, что кинетическая энергия субнаносекундной фракции трубчатого пучка с током ≈1.2 kA, ускоренного до 250 keV в первом промежутке с взрывоэмиссионным катодом, на выходе второго промежутка возросла до ≈500 keV. 4. Построены численные модели генерации последовательностей субгигаваттных пиков микроволнового сверхизлучения (СИ) в релятивистской лампе обратной волны (ЛОВ) Ka-диапазона за счёт глубокой периодической модуляции тока электронного пучка. В первой модели такой режим достигается при подаче на взрывоэмиссионный катод по-следовательности трапецеидальных ускоряющих импульсов с некоторой задержкой. Дли-тельность задержки определяет влияние остаточного фона медленных отработанных электронов на динамику формирования последующего пика СИ и его амплитуду. В аль-тернативном варианте ток инжектируемого пучка непрерывный, но он модулируется пре-дыдущим импульсом СИ, который порождает сильные электрические поля в радиальном зазоре в области коаксиальной вставки, которая используется в анодном блоке ЛОВ вза-мен резонансного рефлектора. Здесь пучок периодически сбрасывается на стенку. В этом случае возбуждение очередных импульсов СИ менее чувствительно к остаточным медленным электронам и происходит в воспроизводимых условиях; они имеют малую задержку и близкие амплитуды. 5. Выполнен эксперимент, в котором получен мультигигаваттный электронный пучок пикосекундной длительности с помощью серийного отпаянного вакуумного диода ИМА3-150Э с выводом частиц в атмосферу. Импульс питания (100 пс, 2.2 МВ, 100 ГВт) формировался твердотельным SOS-драйвером S-100, дополненным четырьмя ступенями сжатия импульса на основе нелинейных линий передачи с ферритом. Получен пучок с максимальной энергией 3.2 МэВ и пиковым током ≈12 кА с длительностью 85 пс. Пиковая мощность пучка составляет около 40 ГВт. Установлено, что ресурс диода в таком режиме ограничен интенсивной эрозией фольговых катодов. Между тем, миниатюрные конструктивные элементы диода способны без пробоя выдерживать импульс напряжения, задающий электрические поля 5-10 МВ/см. Показана возможность доставки упомянутого импульса напряжения к катоду разработанного магнитоизолированного диода с незначительными искажениями. В численной модели с самосогласованной эмиссией катода без порогового поля продемонстрировано получение на анодной мишени 100-пс трубчатого пучка с максимальной энергией ≈ 2 МэВ и током ≈ 30 кА. Диод прошел предварительные испытания при использовании 200-кВ наносекундных импульсов и подготовлен для полномасштабного эксперимента.

Публикации