ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ЭЛЕКТРОНИКА БОЛЬШИХ МОЩНОСТЕЙ

Доктор физико-математических наук Евгений Суворов, директор отделания физики плазмы и электроники больших мощностей, зам. директора института по научной работе.

Институт прикладной физики ныне, по сути, — одна из крупнейших лабораторий мира, разрабатывающих мощные источники микроволнового излучения для применения в радиолокации, физике плазмы и ядерной физике, промышленных технологиях новых материалов, а также способы приема и анализа этого излучения для дистанционной диагностики атмосферы, экспериментов в радиоастрономии т. д. Все эти работы сосредоточены в Отделении физики плазмы и электроники больших мощностей ИПФ.

Вакуумная СВЧ электроника
Одна из доминант отделения в данной области — разработка гирорезонансных приборов (сверхмощных генераторов электромагнитного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов), получивших широкую известность под названием мазеры на циклотронном резонансе *(МЦР). В них используют индуцированное излучение электронов, вращающихся в статическом магнитном поле. В отличие от других источников в МЦР электронный поток взаимодействует с высокочастотным полем электродинамических систем — характерные размеры последних значительно превышают длину генерируемой волны. Уникальная возможность селекции мод позволяет реализовать режим одномодовой генерации с высоким КПД.*

Механизм излучения, на котором основаны данные мазеры, был открыт в конце 50-х годов ХХ в. почти одновременно учеными в разных странах. Однако последовательным воплощением идеи в электронике больших мощностей занялась лишь группа, руководимая одним из первооткрывателей — академиком Андреем Гапоновым-Греховым. Ключевой вклад в развернувшиеся фундаментальные исследования внесли входившие в его группу молодые радиофизики Михаил Петелин и Валерий Юлпатов; а в практическое освоение высокоэффективных приборов — кандидаты физико-математических наук Аркадий Гольденберг, Валерий Флягин, Владимир Запевалов и доктор физико-математических наук Григорий Денисов.
Мазеры на циклотронном резонансе ныне выпускают в различных модификациях. Это либо генераторы (гиротрон и гиро-ЛОВ — лампа обратной волны), либо усилители (гироклистрон и гиро-ЛБВ — лампа бегущей волны). Впечатляющий практический пример — использование мощных гиротронов коротковолновой части миллиметрового диапазона в системах электронно-циклотронного нагрева плазмы установок управляемого термоядерного синтеза (УТС) с магнитным удержанием. Такие приборы способны генерировать излучение мощностью до 1 МВт с КПД 40 — 50% в импульсах длительностью до сотен секунд на частотах 30 — 170 ГГц. Наиболее мощные из них оснащены алмазными выходными окнами и системами рекуперации (повторного использования) остаточной энергии электронного пучка.

Элемент конструкции гиротрона мегаваттного уровня мощности с алмазным окном для вывода микроволнового излучения.

Для обеспечения промышленного производства гироприборов еще в начале 90-х годов ХХ в. в Нижнем Новгороде было создано Научно-производственное предприятие «ГИКОМ». Работая в тесной кооперации с нашим Институтом, сегодня оно в числе основных мировых поставщиков гиротронов и оборудования к ним для установок УТС с магнитным удержанием: токамаков* (в том числе и для будущего реактора ИТЭР, строительство которого в ближайшее время начнется во Франции), и стеллараторов*. В настоящее время усилия специалистов Отделения сосредоточены на повышении мощности и эффективности гиротронов, а также реализации приборов со ступенчатой перестройкой частоты в широком диапазоне, что позволит существенно расширить возможности их применения в установках управляемого термоядерного синтеза.
Для радиолокационных систем разработаны мощные усилители — гироклистроны на частотах 35 и 94 ГГц (кандидаты физико-математических наук Евгений Соколов и Евгений Засыпкин), обеспечивающие выходную мощность на уровне сотен киловатт в импульсах до 100 мкс при коэффициентах усиления до 30 дБ. А вот у гиро-ЛБВ, модифицированных Григорием Денисовым, существенно шире, чем у гироклистронов, сама полоса усиления. По результатам первых экспериментов создаются перспективные промышленные образцы усовершенствованных гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ.
Другая доминанта в области вакуумной сверхвысокочастотной электроники — использование сильноточных релятивистских пучков для генерации сверхмощного СВЧ излучения. Эту возможность удалось реализовать в 60-х годах XX в. с появлением ускорителей, на выходе которых мегавольтные электронные пучки обладают килоамперными токами.
Первый в мире микроволновый генератор когерентного излучения, возбуждаемый сильноточным электронным ускорителем, был создан по инициативе Андрея Гапонова-Грехова и Матвея Рабиновича в ходе совместного эксперимента Научно-исследовательского радиофизического института (тогда г. Горький) и Физического института им. П.Н. Лебедева АН СССР (Москва) в 1972 г. Этот релятивистский вариант лампы обратной волны на несколько порядков превзошел по мощности все существовавшие в то время приборы соответствующего диапазона. Успех стимулировал расширение paбот по микpоволновой pелятивистской электpонике во многих лaбоpaтоpиях миpa. В настоящее время приборы такого класса обеспечивают мощность 10⁸—10¹⁰ Вт в диапазоне 1—100 ГГц при длительностях импульсов 1—100 нс. И в этом направлении ИПФ продолжает занимать одну из ведущих позиций.

Сотрудники Отделения (Михаил Петелин и его ученики - доктора физико-математических наук Владимир Бpaтмaн, Наум Гинзбург, Григорий Денисов, Николай Ковалев и др.) проанализировали особенности стимулированного излучения при релятивистских скоростях электронов. Они же предложили ряд микроволновых генераторов и усилителей, реализованных затем как непосредственно в ИПФ, так и совместно с другими отечественными и зарубежными институтами и лабораториями. Например, генераторы обратной волны создавали в кооперации с институтами РАН — Физическим им. П.Н. Лебедева, Общей физики им. А.М. Прохорова (Москва), Сильноточной электроники СО РАН (Томск), а также Московским радиотехническим институтом им. А.Л. Минца, фирмой Thomson (Италия — Франция). Весьма перспективны разрабатываемые сегодня генераторы с широкими ленточными электронными пучками, с возможностью существенного увеличения излучаемой мощности, а также релятивистские источники излучения с субнаносекундной длительностью импульсов, основанных на сверхизлучении протяженных сгустков электронов.

Электромагнитное излучение и плазма
Проблематика, связанная с взаимодействием электромагнитного излучения с плазмой, традиционна для ИПФ, а корнями уходит в конец 50-х — начало 60-х годов ХХ в. Тогда Гапонов-Грехов и доктор физико-математических наук Михаил Миллер первыми выполнили исследования по усредненному описанию движения заряженных частиц в высокочастотных электромагнитных полях (в отечественной и мировой научной литературе стало общеупотребительным понятие «сила Миллера»). В дальнейшем был развит математический аппарат, базирующийся на усредненных уравнениях для плазмы и поля, позволивший с единых позиций исследовать широкий класс процессов самовоздействия и взаимодействия волн в плазме.
Академику Александру Литваку и его ученикам (кандидат физико-математических наук Вячеслав Миронов, доктор физико-математических наук Геннадий Фрайман, член-корреспондент РАН Александр Сергеев и др.) принадлежит приоритет в построении теории самофокусировки волн в изотропной и магнитоактивной плазме, исследовании проникновения интенсивного излучения в плотную (закритическую) плазму, рассмотрении тепловых параметрических неустойчивостей и эффектов самовоздействия релятивистски сильных электромагнитных волн. Литвак и его сотрудники кандидаты физико-математических наук Борис Еремин, Юрий Бродский, доктор физико-математических наук Александр Костров и др. провели пионерские эксперименты по самофокусировке пучков электромагнитных волн в плазме, при этом впервые наблюдали эффект самоканалирования таких волн в плотной плазме.
Названный и другие эффекты в значительной мере определяют также характер взаимодействия сверхмощных лазерных импульсов с плазмой, являющегося одним из самых интересных разделов современной физики. Перспективные приложения здесь ассоциируются с лазерным термоядерным синтезом, поиском методов ускорения для суперколлайдеров и новых источников оптического и рентгеновского излучения.

Схема электронно-циклотронного резонансного источника многозарядных ионов СМИС-37: 1 — разрядная вакуумная камера, 2 — магнитные катушки, 3 — входное кварцевое СВЧ окно, 4 — диагностическая вакуумная камера, 5 — импульсный клапан напуска газа, 6 — плазменный электрод, 7 — экстрактор многозарядных ионов, 8 — высоковольтные изоляторы.

Особое внимание в Отделении уделяется исследованию электронно-циклотронного нагрева плазмы в тороидальных системах. Уже в первых совместных экспериментах, проведенных на токамаке Т-10 в РНЦ «Курчатовский институт» с помощью мощных гиротронов миллиметрового диапазона, разработанных и изготовленных в ИПФ, продемонстрирована перспективность этого метода нагрева применительно к крупномасштабным установкам схожего типа.
Параллельно у нас изучают физические основы электpонно-циклотpонного взаимодействия электpомагнитных волн с термоядерной плазмой. Важной оказалась разработка схемы электронно-циклотронного нагрева плазмы на первой гармонике, обеспечивающей возможность наружного ввода излучения в тороидальные установки(Литвак, Суворов и кандидат физико-математических наук Анатолий Фрайман). В настоящее время данная схема нагрева и безиндукционной генерации тока —  одна из основных в большинстве тороидальных установок УТС. Для расчета профилей энерговклада внедрен простой и эффективный лучевой подход с использованием геометрической оптики в трехмерно-неоднородной магнитоактивной плазме, шиpоко используемый сейчас во всех ведущих теpмоядеpных центpах мира.
Автор данной статьи и доктор физико-математических наук Михаил Токман теоретически предсказали сильно нелинейные режимы электронно-циклотронного нагрева, в которых электроны могут значительно увеличивать свою энергию за один пролет области локализации СВЧ поля. А подтверждено это было в 80-х годах прошлого столетия экспериментами на установках Л-2 (Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН) и Alcator-C (Ливермор, США).
Повышение надежности гиротронов и значительное увеличение длительности генерируемых импульсов излучения обусловили новые успехи в исследованиях по УТС, в том числе с зарубежными партнерами. Так, в рамках сотрудничества с Институтом физики плазмы в Гархинге (Германия) на стеллараторе W7-AS в средине 90-х годов за счет электронного-циклотронного нагрева на второй гармонике впервые для подобных установок зарегистрирован переход в режим улучшенного удержания плазмы. На токамаке ASDEX-U (Институт Макса Планка, Германия) в начале текущего десятилетия осуществлена впечатляющая серия экспериментов по подавлению магнитогидродинамических неустойчивостей за счет точно локализованного нагрева электронной компоненты или генерации безиндукционного тока. На японском стеллараторе LHD в 2005 г. впервые были получены плазменные разряды часовой длительности, поддерживаемые излучением мощного гиротрона. Все перечисленные результаты важны для достижения проектных параметров в международном токамаке-реакторе ИТЭР —  в рамках его предстоящей реализации у нас разрабатываются непрерывные гиротроны мегаваттного уровня мощности.

Что происходит в газовом разряде?
Свободно локализованный высокочастотный разряд, возникающий в газе под действием мощного сфокусированного электромагнитного излучения, —  один из новейших объектов нелинейной физики. И важно, что именно в нашем Институте под руководством Александра Литвака и доктора физико-математических наук Владимира Гильденбурга еще в 70?80-е годы ХХ в. выполнены теоретические и экспериментальные исследования для решения ряда общих вопросов нелинейной динамики микроволнового разряда и, по существу, заложены основы соответствующего научного направления. В рамках этих работ группы ученых, возглавляемые докторами физико-математических наук Анатолием Вихаревым и Сергеем Голубевым, эксперментально определили основные типы механизмов распространения разряда и формирующихся в нем структур в зависимости от давления газа и интенсивности СВЧ излучения. На этой основе построена теория ионизационных неустойчивостей разряда, определяющих его мелкомасштабную структуру, и развиты представления о нелинейном самоограничении в нем плотности плазмы, позволяющие рассчитывать параметры его глобальных структур (доктора физико-математических наук Владимир Гильденбург и Владимир Семенов, кандидат физико-математических наук Аркадий Ким). В ИПФ впервые предсказали эффект адиабатического повышения частоты мощного СВЧ импульса, ионизующего при своем распространении окружающую среду. Указанные результаты использованы для интерпретации экспериментов, проводившихся во многих лабораториях как в России, так и за рубежом. В настоящее время ряд понятий и представлений, выработанных при исследовании разрядных явлений в полях СВЧ диапазона, перенесены в оптический диапазон и используются при описании нелинейной динамики мощных лазерных импульсов.

Новые технологии
В последние годы излучение сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн применяется при создании новых материалов. Мы достигли значительных успехов в понимании процессов спекания перспективных ультрадисперсных керамических порошков и композитов, выращивания алмазных пленок из газовой фазы в плазме, поддерживаемой электромагнитным излучением, формирования интенсивных потоков плазмы и сильноточных ионных пучков в условиях электронно-циклотронного разряда в магнитных ловушках.
В лаборатории Юрия Быкова разработаны и созданы специализированные гиротронные комплексы для технологических применений (таких, как высокоскоростное спекание композиционных и керамических материалов, быстрый отжиг полупроводников, «сварка» разнородных диэлектрических матриалов и др.) мощностью 3?15 кВт, работающие на частотах 24?30 ГГц, с использованием «теплых» соленоидов или постоянных магнитов. Уникальные по функциональным возможностям, указанные установки поставлены в ведущие научные центры Японии, США, Германии, Китая, Франции.
В ИПФ с помощью микроволнового спекания получены мелкозернистые керамические материалы. Их образцы на основе наноразмерных порошков окислов металлов имеют повышенные механические свойства. В частности, трещиностойкость и износоустойчивость керамики на базе окиси алюминия с добавками окисей магния и циркония, стабилизированной окисью иттрия, на 30?50% выше, чем в  полученной из микронных и субмикронных порошков.
В последнее десятилетие под руководством доктора физико-математических наук Анатолия Вихарева освоена технология плазмохимического газофазного осаждения алмазных пленок и дисков. Выращенные таким способом поликристаллические пластины имеют оптическую прозрачность и низкие диэлектрические потери, высокие механическую прочность и теплопроводность. Алмазные диски диаметром 75 мм и толщиной до 2 мм используются для создания окон вывода излучения мощных гиротронов, разрабатываемых для нагрева плазмы в упомянутых установках УТС. Уже разработан лабораторный вариант реактора для осаждения алмазных пленок в плазме, поддерживаемой излучением миллиметрового диапазона. Это позволит увеличить размер выращиваемых пластин и обеспечить повышенную (в 5— 7 раз) скорость роста алмаза по сравнению с достигнутой в существующих устройствах.
Плотная сильно неравновесная плазма, создаваемая в магнитных ловушках СВЧ излучением в условиях электронно-циклотронного резонанса в тяжелых газах при больших удельных энерговкладах, —  ранее неизвестный объект физики плазмы, представляющий практический интерес, в первую очередь, в качестве источников мягкого рентгеновского излучения для проекционной литографии высокого разрешения и источников пучков многозарядных ионов для ускорителей тяжелых частиц.

Схема проточного циклотронного мазера в магнитосфере Земли, описывающая формирование пульсирующих полярных сияний. Широкие стрелки — магнитный дрейф электронов с анизотропным распределением по скоростям (красным — до генерации, голубым — после).

Сергеем Голубевым и кандидатом физико-математических наук Владимиром Зориным в средине 90-х гг.предложен и исследован новый тип источников ионов, названных импульсными «газодинамическими», —  в них получены пучки многозарядных ионов с уникальным сочетанием большого тока и высокой яркости. Эти результаты стимулировали в ведущих мировых центрах создание нового поколения электронно-циклотронных резонансных источников на основе более высокочастотного излучения, которое обеспечивают современные гиротроны. В ИПФ разрабатывается и короткоимпульсный источник многозарядных ионов дорогих радиоактивных изотопов для использования в международной программе исследований осцилляций (самопроизвольных превращений) нейтрино («Beta Beam Project», ЦЕРН, Швейцария).

От космических процессов до земных
Исходная задача, объединяющая исследования, ведущиеся в отделе астрофизики и физики космической плазмы под руководством академика Владимира Железнякова, — взаимодействие плазмы с электромагнитными волнами. Полученные здесь данные используются в развитии теории происхождения различных компонент электромагнитного излучения Солнца (доктора физико-математических наук Валерий Зайцев, Елена Злотник), а также для выяснения происхождения солнечных вспышек, анализа структуры и динамики короны, в том числе коронарных магнитных петель, электромагнитных процессов в солнечных протуберанцах, особенностей солнечного ветра.
Доктором физико-математических наук Виктором Трахтенгерцем выполнены пионерские работы по циклотронной неустойчивости радиационных поясов Земли. Значительные успехи достигнуты в разработке теории космических циклотронных мазеров, определяющих динамику радиационных поясов в магнитосферах планет и их собственное электромагнитное излучение. У этих объектов много общего с лабораторными аналогами — электронными приборами типа МЦР. Результаты изучения процессов в классической космической плазме, помимо чисто астрофизических приложений, применяются к конкретным задачам классической и квантовой электроники, оптики полупроводников и жидких кристаллов.
Сверхсильные магнитные и гравитационные поля, мощное жесткое излучение существенно меняют свойства плазмы вблизи компактных астрофизических объектов — белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр. Движение электронов там квантовано, вакуум намагничивается, а излучение оказывает определяющее влияние на микро- и макроскопическую динамику частиц. И потому основное внимание ученые обращают на интерпретацию наблюдаемых спектральных и временных особенностей излучения этих источников, диагностику физических условий в окрестности компактных объектов (этими вопросами занимаются член-корреспондент РАН Владимир Кочаровский и доктор физико-математических наук Виталий Кочаровский).

Радиоизображение области массивного звездообразования в линиях N2H+(1-0) (цвет) и CS(5-4) (контуры). Видна значительная разница в распределении этих молекул, что может отражать эффекты химической дифференциации в протозвезде (по осям— относительные координаты по прямому восхождению и склонению).

Появление высокочувствительных спектральных приемников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов открыло возможность изучать окружающую среду методами дистанционного зондирования, поскольку в этих диапазонах расположены линии вращательных спектров основных атмосферных газовых составляющих и большого числа примесей, в частности антропогенного характера. Таким образом, с поверхности Земли можно определить содержание озона, окисей углерода, хлора и т. п. на высотах от 20 до 70 км. С помощью сконструированных в ИПФ измерительных комплексов реализована обширная программа исследования пространственно-временных вариаций озоносферы нашей планеты в различных географических зонах. Например, мобильный озонометр, разработанный под руководством докторов физико-математических наук Юрия Куликова и Александра Фейгина, успешно испытали при запуске ракеты «Протон» с космодрома Байконур (2004 г.), мониторинге озонового слоя в высоких (с борта ледокола «Капитан Драницын», 2005 г.) и средних (в составе вагона-лаборатории, экспедиция «Тройка-9», 2005 г.) широтах, в горных условиях (Кисловодская высокогорная обсерватория Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, 2006 г.).

Заглядывая в завтра                                                                                            
В заключение отметим несколько направлений, работы по которым начаты в Отделении сравнительно недавно, но могут оказаться перспективными в ближайшем будущем.
Терагерцовый диапазон (промежуточный между радиодиапазоном и оптикой) в настоящее время один из наименее освоенных. Именно в этих частотах лежат «характеристические» линии поглощения многих сложных органических молекул, включая ДНК. Следовательно, это позволит однозначно идентифицировать изменения в их структуре, а также оказывать на них контролируемое воздействие.
Исследование атмосферного электричества объединяет теоретический поиск, натурные эксперименты, моделирование (лаборатория доктора физико-математических наук Евгения Мареева). Особое внимание уделяется мониторингу грозовой активности и поиску методов управления ею.
Группа кандидата физико-математических наук Рината Ахмеджанова изучает интерференционные эффекты, возникающие при взаимодействии многочастотного резонансного излучения с многоуровневыми системами в связи с многочисленными приложениями — прецизионной магнитометрией, хранением и обработкой оптической и в перспективе — квантовой информации, что приведет к появлению устройств оперативной памяти с рекордным временем хранения данных.
Создается перспективная установка для лазерного пленения и охлаждения газа нейтральных атомов до температур диапазона микро- и нанокельвинов. Эксперименты со сверххолодными газами представляют интерес для нескольких областей физики, поскольку могут моделировать процессы в других системах, не доступных для экспериментов: нейтронных звездах, в газе кварков, в черных дырах, кварк-глюонной плазме на ранних стадиях эволюции Вселенной. Помимо результатов фундаментального значения, возможны практические приложения, связанные с созданием компактных и сверхточных эталонов времени, а также квантовых ячеек памяти и алгоритмов вычислений, позволяющих выполнять некоторые операции в миллиарды раз быстрее, чем в современных ЭВМ.

Иллюстрации предоставлены авторами