Стенд «Крот»
Крупномасштабный плазменный стенд «Крот» – комплекс вакуумных и электрофизических установок с уникальными параметрами. Стенд используется для лабораторного моделирования физических явлений в ионизированных оболочках Земли и в космической плазме, включая эффекты при проведении активных экспериментов и при естественных высокоэнергетических событиях. На установках выполняются исследования и разработки по следующим направлениям:
- взаимодействие волн и частиц в плазме и в вакууме, генерация электромагнитного излучения;
- лабораторное моделирование активных экспериментов в ионосфере и в ближнем космосе;
- плазменные испытания бортовых систем космических аппаратов и авиационной техники;
- физика молнии и пробой длинных воздушных промежутков.
В состав комплекса «Крот» входят:
- плазменная камера объёмом 180 м 3 с системой вакуумной откачки, высокочастотным источником плазмы и генератором импульсного магнитного поля;
- генератор импульсных напряжений 1 МВ;
- сильноточный ускоритель электронов «Крот-F».
Помещение стенда «Крот» обеспечивает защиту от ионизирующих излучений, возникающих при работе высоковольтной и ускорительной техники. Находящийся ниже уровня земли экспериментальный зал площадью 900 м 2 оборудован системами отопления, приточной и вытяжной вентиляции, вводом электроэнергии на 1 МВт, системами подачи холодной воды и сжатого воздуха, четырьмя кран-балками грузоподъемностью до 5 тонн, загрузочным бункером.
На сегодняшний день стенд «Крот» не имеет аналогов в Российской Федерации и Европе. Действующими аналогами плазменной камеры являются недавно построенные в США установки LAPD (г. Лос-Анджелес) и SPSC (г. Вашингтон).
Плазменная камера
Объём плазменной камеры стенда «Крот», изготовленной из немагнитной нержавеющей стали, составляет 180 м 3 ; квазиоднородная газоразрядная плазма может быть создана в объёме до 70 м 3 . Камера оснащена насосами для форвакуумной и высоковакуумной откачки, а также газовой системой для непрерывного или импульсного напуска рабочих газов, обычно – аргона или гелия. Плазма создается индукционным разрядом при давлении рабочего газа от 10 мкТорр до 10 мТорр. Для этого применяется система из четырех импульсных высокочастотных генераторов с суммарной мощностью до 4 МВт. Возможно проведение экспериментов как в изотропной плазме – без внешнего магнитного поля, так и в плазме, замагниченной аксиальным полем индукцией до 1 килогаусса. Магнитная система стенда представляет собой мегаджоульный емкостной накопитель энергии, коммутируемый на соленоид, установленный внутри плазменной камеры.
Уникальность установки заключается в рекордно больших размерах плазмы с концентрацией электронов до 10 13 см -3 . Плазменный столб с высокой степенью однородности по трем измерениям, изолированный от металлических стенок камеры, позволяет выполнять исследования в режиме «безграничной» плазмы, имитирующем физические условия в космосе. Широкий диапазон изменения концентрации распадающейся плазмы (от максимального значения до нуля) и величины магнитного поля, имитирующего магнитное поле Земли и других космических объектов, позволяет изучать космические явления как на уменьшенных, так и на полноразмерных лабораторных моделях, включая плазменные испытания образцов космической техники. Другой аспект уникальности – высокая повторяемость параметров разряда (на уровне 1%) от одного «выстрела» установки к другому, что позволяет накапливать большой объём экспериментальных данных за много циклов работы стенда.
Технические параметры
- Предельный вакуум – 10 -6 Торр
- Давление рабочего газа – 10 -5 … 10 -2 Торр
- Источник плазмы – ВЧ индукционный разряд
- ВЧ генераторы – 5 МГц, 4 × 1 МВт, импульс 1.6 мс
- Магнитная система – прямая ловушка, R = 2.3
- Поле в минимуме – до 500 Гс
- Поле в пробках – до 1100 Гс
- Генератор импульсного магнитного поля – емкостной накопитель энергии 750 кДж, длительность импульса по основанию 100 мс
- Время жизни плазмы (по уровню 0.5) – 2 … 5 мс
Генератор импульсных напряжений
Генератор импульсных напряжений (ГИН) выполнен по схеме Аркадьева – Маркса. Он рассчитан на создание напряжений уровня 1 МВ, и представляет собой тринадцатиэтажную стойку, на которой размещены высоковольтные конденсаторы, зарядные резисторы и разрядники, с высоковольтным выпрямителем и пультом управления, вынесенным в отдельное помещение. ГИН предназначен для моделирования физических эффектов при пробое длинных – порядка 1 метра – воздушных промежутков. На установке исследуются динамика длинной искры, возникающие при пробое плазменные образования, энергичные заряженные частицы и кванты излучения, а также сверхмощные электромагнитные импульсы (ЭМИ).
Технические параметры
- Зарядная емкость – 60 мкФ
- Зарядное напряжение – до 65 кВ
- Емкость при разряде – 0.35 мкФ
- Напряжение при разряде – до 900 кВ
- Период разряда – 23 мкс
- Разрядный ток – до 30 кА
Сильноточный ускоритель электронов «Крот-F»
Ускоритель «Крот-F» предназначен для создания импульсных электронных пучков с энергией частиц порядка 1 МэВ и токами класса 10 кА. Гигаваттные наносекудные импульсы высокого напряжения, формируемые в ускорителе, могут непосредственно применяться для генерации сверширокополосного электромагнитного излучения со спектром, лежащим в диапазоне частот от единиц до сотен мегагерц. Формирование и транспортировка электронного пучка осуществляются с помощью электронно-оптической системы на основе импульсных соленоидов. Пучок ускорителя вводится в электродинамические системы для генерации микроволнового излучения дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн на уровне мощности от десятков МВт до единиц ГВт. Электронные пучки, рентгеновское и микроволновое излучение могут использоваться для моделирования воздействия на ионосферную плазму потоков корпускулярной радиации и мощных микроволн. Важной прикладной задачей, решаемой с помощью ускорителя, является моделирование воздействия пучков частиц, рентгеновского и микроволнового излучения на технические объекты, функционирующие в условиях плазмообразования.
Источник
Плазменный стенд «Крот»
Крупномасштабный плазменный стенд «Крот» представляет собой комплекс электрофизических установок с уникальными параметрами, размещенных в специализированном помещении. Стенд предназначен для лабораторного моделирования физических явлений в ионизированных оболочках Земли и в космической плазме, включая эффекты при проведении активных экспериментов в ионосфере и магнитосфере. На установках выполняются исследования и разработки по следующим направлениям:
- взаимодействие волн и частиц в плазме и в вакууме, генерация электромагнитного излучения;
- лабораторное моделирование активных экспериментов в ионосфере и в ближнем космосе;
- плазменные испытания бортовых систем космических аппаратов и авиационной техники;
- физика молнии и пробой длинных воздушных промежутков.
В состав комплекса «Крот» входят:
- плазменная камера объемом 180 м 3 с системой вакуумной откачки, высокочастотным источником плазмы и генератором импульсного магнитного поля;
- генератор импульсов напряжения 1 МВ;
- сильноточный ускоритель электронов «Крот-F».
Помещение стенда «Крот» обеспечивает защиту от ионизирующих излучений, возникающих при работе высоковольтной и ускорительной техники. Находящийся ниже уровня земли экспериментальный зал площадью 900 м 2 оборудован системами отопления, приточной и вытяжной вентиляции, вводом электроэнергии на 1 МВт, системами подачи холодной воды и сжатого воздуха, четырьмя кран-балками грузоподъемностью до 5 тонн, загрузочным бункером.
На сегодняшний день плазменный стенд «Крот» не имеет аналогов в Российской Федерации и Европе. Действующими аналогами плазменной камеры стенда являются недавно построенные в США стенды «LAPD» (г. Лос-Анджелес) и «SPSC» (г. Вашингтон).
Стенд «Крот» разработан и создан в середине 80-х годов прошлого века для проведения фундаментальных и прикладных исследований по взаимодействию сверхмощных потоков СВЧ излучения с протяженными плазменными объектами. В соответствии с этим стенд состоит из двух функционально независимых частей:
- комплекса релятивистских генераторов СВЧ излучения;
- крупномасштабной плазменной установки.
Обе части стенда «Крот» обладают уникальными параметрами.
Комплекс релятивистских генераторов СВЧ излучения состоит из двух ускорителей с взрывоэмиссионными инжекторами электронов, создающих сильноточные релятивистские электронные пучки, систем для генерации и усиления электромагнитных волн, использующие эти пучки, и сверхразмерных электродинамических систем для формирования и транспортировки квазиоптических пучков мощного СВЧ излучения. Комплекс оборудован уникальной диагностической системой и регистрирующей аппаратурой, а также средствами защиты от сопутствующих ионизирующих излучений.
| I | II | |
|---|---|---|
| Ускоряющее напряжение в Мв | 1,5–2 | 0,8 |
| Ток электронного пучка в кА | 20 | 8 |
| Длительность импульсов в нс | 200 | 20 |
| Частота следования импульсов в Гц | — | 200 |
| Формирующее магнитное поле в Тл | 3 | 4,7 |
Генераторная часть комплекса позволяет проводить исследования и испытания мультигигаваттных импульсных источников высокочастотного электромагнитного излучения с высокой степенью когерентности. К настоящему времени на комплексе были проведены экспериментальные исследования мощных релятивистских карсинотронов, каскадных черенковских генераторов, импульсных усилителей. Проводились исследования сильноточных электроннооптических систем на основе коаксиальных двухэлектродных пушек и явлений, ограничивающих длительность импульсов выходного излучения. Все эти работы хорошо известны в мире и пользуются признанием. Релятивистский магнетрон с дифракционным выводом энергии и релятивистские карсинотроны, разработанные в институте, до сих пор являются объектом исследований и усовершенствований во многих лабораториях и широко применяются в прикладных целях.
Крупномасштабная плазменная установка стенда состоит из вакуумной камеры больших размеров (диаметр 3 м, длина 10 м), оснащенной ВЧ источником плотной плазмы. Для моделирования явлений, происходящих в ионосфере и магнитосфере Земли, в камере имеется источник магнитного поля – соленоид (длина 3,5 м, диаметр 2 м) с пробочным отношением -2,3. Магнитное поле достигает величины
1000 эрстед. Характерная концентрация плазмы Nе
1,5–2 10 13 см -3 , электронная температура Te
12 эВ; предельный вакуум, достигаемый в объеме камеры, Р ост = 3,10 -6 торр. На стенде создан диагностический комплекс, включающий электрические зонды, электростатические анализаторы энергий частиц, СВЧ-зонды, а также пятиканальный СВЧ интерферометр с рабочей длиной волны 8 мм. Диагностические датчики позволяют с высокой точностью измерять концентрацию плазмы, температуру электронов и ионов, детально исследовать функции распределения частиц по энергиям. Кроме того, в вакуумной камере установлено большое число антенн различных типов и конструкций, с помощью которых осуществляется возбуждение в плазме волновых полей и их регистрация. Размещение диагностических средств позволяет контролировать параметры плазмы во всем объеме камеры, многие датчики установлены на дистанционно управляемых подвижных системах. Сбор данных на стенде «Крот» практически полностью автоматизирован.
На плазменной установке стенда «Крот» проводятся исследования нелинейных процессов в плазме при воздействии сверхсильных СВЧ полей, динамики свободно-локализованного СВЧ разряда в атмосфере, динамки нижнегибридной турбулентности в плазме, а также моделирование процессов в космической плазме, в верхней атмосфере, ионосфере и магнитосфере.
Источник
Плазменный стенд «Крот»
Крупномасштабный плазменный стенд «Крот» представляет собой комплекс электрофизических установок с уникальными параметрами, размещенных в специализированном помещении. Стенд предназначен для лабораторного моделирования физических явлений в ионизированных оболочках Земли и в космической плазме, включая эффекты при проведении активных экспериментов в ионосфере и магнитосфере. На установках выполняются исследования и разработки по следующим направлениям:
- взаимодействие волн и частиц в плазме и в вакууме, генерация электромагнитного излучения;
- лабораторное моделирование активных экспериментов в ионосфере и в ближнем космосе;
- плазменные испытания бортовых систем космических аппаратов и авиационной техники;
- физика молнии и пробой длинных воздушных промежутков.
В состав комплекса «Крот» входят:
- плазменная камера объемом 180 м 3 с системой вакуумной откачки, высокочастотным источником плазмы и генератором импульсного магнитного поля;
- генератор импульсов напряжения 1 МВ;
- сильноточный ускоритель электронов «Крот-F».
Помещение стенда «Крот» обеспечивает защиту от ионизирующих излучений, возникающих при работе высоковольтной и ускорительной техники. Находящийся ниже уровня земли экспериментальный зал площадью 900 м 2 оборудован системами отопления, приточной и вытяжной вентиляции, вводом электроэнергии на 1 МВт, системами подачи холодной воды и сжатого воздуха, четырьмя кран-балками грузоподъемностью до 5 тонн, загрузочным бункером.
На сегодняшний день плазменный стенд «Крот» не имеет аналогов в Российской Федерации и Европе. Действующими аналогами плазменной камеры стенда являются недавно построенные в США стенды «LAPD» (г. Лос-Анджелес) и «SPSC» (г. Вашингтон).
Стенд «Крот» разработан и создан в середине 80-х годов прошлого века для проведения фундаментальных и прикладных исследований по взаимодействию сверхмощных потоков СВЧ излучения с протяженными плазменными объектами. В соответствии с этим стенд состоит из двух функционально независимых частей:
- комплекса релятивистских генераторов СВЧ излучения;
- крупномасштабной плазменной установки.
Обе части стенда «Крот» обладают уникальными параметрами.
Комплекс релятивистских генераторов СВЧ излучения состоит из двух ускорителей с взрывоэмиссионными инжекторами электронов, создающих сильноточные релятивистские электронные пучки, систем для генерации и усиления электромагнитных волн, использующие эти пучки, и сверхразмерных электродинамических систем для формирования и транспортировки квазиоптических пучков мощного СВЧ излучения. Комплекс оборудован уникальной диагностической системой и регистрирующей аппаратурой, а также средствами защиты от сопутствующих ионизирующих излучений.
| I | II | |
|---|---|---|
| Ускоряющее напряжение в Мв | 1,5–2 | 0,8 |
| Ток электронного пучка в кА | 20 | 8 |
| Длительность импульсов в нс | 200 | 20 |
| Частота следования импульсов в Гц | — | 200 |
| Формирующее магнитное поле в Тл | 3 | 4,7 |
Генераторная часть комплекса позволяет проводить исследования и испытания мультигигаваттных импульсных источников высокочастотного электромагнитного излучения с высокой степенью когерентности. К настоящему времени на комплексе были проведены экспериментальные исследования мощных релятивистских карсинотронов, каскадных черенковских генераторов, импульсных усилителей. Проводились исследования сильноточных электроннооптических систем на основе коаксиальных двухэлектродных пушек и явлений, ограничивающих длительность импульсов выходного излучения. Все эти работы хорошо известны в мире и пользуются признанием. Релятивистский магнетрон с дифракционным выводом энергии и релятивистские карсинотроны, разработанные в институте, до сих пор являются объектом исследований и усовершенствований во многих лабораториях и широко применяются в прикладных целях.
Крупномасштабная плазменная установка стенда состоит из вакуумной камеры больших размеров (диаметр 3 м, длина 10 м), оснащенной ВЧ источником плотной плазмы. Для моделирования явлений, происходящих в ионосфере и магнитосфере Земли, в камере имеется источник магнитного поля – соленоид (длина 3,5 м, диаметр 2 м) с пробочным отношением -2,3. Магнитное поле достигает величины
1000 эрстед. Характерная концентрация плазмы Nе
1,5–2 10 13 см -3 , электронная температура Te
12 эВ; предельный вакуум, достигаемый в объеме камеры, Р ост = 3,10 -6 торр. На стенде создан диагностический комплекс, включающий электрические зонды, электростатические анализаторы энергий частиц, СВЧ-зонды, а также пятиканальный СВЧ интерферометр с рабочей длиной волны 8 мм. Диагностические датчики позволяют с высокой точностью измерять концентрацию плазмы, температуру электронов и ионов, детально исследовать функции распределения частиц по энергиям. Кроме того, в вакуумной камере установлено большое число антенн различных типов и конструкций, с помощью которых осуществляется возбуждение в плазме волновых полей и их регистрация. Размещение диагностических средств позволяет контролировать параметры плазмы во всем объеме камеры, многие датчики установлены на дистанционно управляемых подвижных системах. Сбор данных на стенде «Крот» практически полностью автоматизирован.
На плазменной установке стенда «Крот» проводятся исследования нелинейных процессов в плазме при воздействии сверхсильных СВЧ полей, динамики свободно-локализованного СВЧ разряда в атмосфере, динамки нижнегибридной турбулентности в плазме, а также моделирование процессов в космической плазме, в верхней атмосфере, ионосфере и магнитосфере.
Источник