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:

1. плазменная камера объемом 180 м³ с системой вакуумной откачки, высокочастотным источником плазмы и генератором импульсного магнитного поля;
2. генератор импульсов напряжения 1 МВ;
3. 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 м² 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.

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 10¹³ см^-3, электронная температура T_e ~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.