ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №11

УДК: 621.384.6

«Газоразрядная плазма и ее применения»

Екатеринбург, Россия, 8-12 сентября 2025

Пикосекундный ускоритель электронов
с энергией 3 МэВ и мощностью 40 ГВт

В.Е. Патраков, Л.Н. Лобанов, М.С. Педос, С.Н. Рукин,
К.А. Шарыпов, С.А. Шунайлов, С.П. Тимошенков, М.И. Яландин

Институт электрофизики Уральского отделения РАН
620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106

Статья поступила в редакцию 2 октября 2025 г.

Аннотация. Представлены результаты экспериментов по получению мультигигаваттных электронных пучков пикосекундной длительности с помощью серийного отпаянного вакуумного диода ИМА3-150Э с выводом пучка в атмосферу. В качестве источника питающего импульса выступал генератор S-100 на основе твердотельного драйвера на SOS-диодах и четырех ступеней сжатия импульса на основе нелинейных линий передачи с ферритом. Пиковая мощность питающего импульса достигает 100 ГВт при длительности около 100 пс. В результате эксперимента был получен пучок со следующими параметрами: максимальная энергия 3.2 МэВ, пиковый ток около 12 кА, длительность импульса тока 85 пс. Пиковая мощность пучка составляет около 40 ГВт. Представлено распределение плотности тока пучка по сечению, полученное в результате оцифровки автографа пучка на дозиметрической пленке ЦВИД, и угловое распределение плотности тока пучка, полученное с применением коллекторного датчика тока. Было установлено, что ресурс диода в таком режиме ограничен интенсивной эрозией фольговых катодов, а также что конструктивные элементы диода способны без пробоя выдерживать импульс напряжения, задающий электрические поля 5-10 МВ/см.

Ключевые слова: пикосекундный электронный ускоритель, вакуумный диод, ферритовая линия передачи, пикосекундный импульс, сильноточный пучок.

Финансирование: Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 24-19-00407, https://rscf.ru/project/24-19-00407/

Автор для переписки: Патраков Виталий Евгеньевич, patrakov@iep.uran.ru

Литература

1. Vaisburd D. I. and Evdokimov K. E. Creation of excitations and defects in insulating materials by high-current-density electron beams of nanosecond pulse duration // Phys. Status Solidi C. – 2005. – V. 2. – No. 1. – P. 216–222.

2. Lushchik A., Lushchik Ch., Schwartz K., et al. Creation and clustering of Frenkel defects at high density of electronic excitations in wide-gap materials // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. – 2012. – V. 277. – P. 40–44.

3. Комяк Н. И., Морговский Л. Я., Пеликс Е. А. Импульсные рентгеновские аппараты серии МИРА // Дефектоскопия. – 1978. – № 3. – C. 108-110.

4. Solomonov V. I., Michailov S. G., Lipchak A. I., et al. CLAVI Pulsed Cathodoluminescence Spectroscope // Laser Physics. – 2006. – V. 16. – No. 1. – P. 126-129.

5. Rostov V. V. and Yalandin M. I. Modeling of a multi-gigawatt Ka-band superradiant source with a slow traveling wave // IEEE Electron device Lett. – 2024. – V. 45. – No. 7. – P. 1329-1332.

6. Morton D., Banister J., Levine J., et al. A 2MV, < 300ps Risetime, 100Hz Pulser for Generation of Microwaves // Proc. of the IEEE Int. Power Modulator and High Voltage Conf. – 23-27 May 2010. – Atlanta, GA. – P. 361-364.

7. Ginzburg N. S., Fedotov A. E., Kuzikov S. V., et al. Demonstration of High-gradient Electron Acceleration Driven by Subnanosecond Pulses of Ka-band Superradiance // Phys. Rev. Accel. Beams. – 2023. – V. 26. – No. 6. – Art. No. 060401.

8. Желтов K. A. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители (М.: Энергоатомиздат, 1991).

9. Лойко Т. В., Недойкаш Ю. М., Павловская Н. Г. и др. Источник импульсов электронного и рентгеновского излучений субнаносекундной длительности // ПТЭ. – 2000. – №. 4. – P. 86-88.

10. Юрьев А. Л., Эльяш С. Л., Лойко Т. В. и др. Сильноточный субнаносекундный ускоритель электронов с газонаполненным формирователем // ПТЭ. – 2017. – №. 6. – С. 78-82.

11. Lobanov L. N., Sadykova A. G., Sharypov K. A., et al. Cascade acceleration of an explosive-emission subnanosecond electron beam // Phys. Plasmas. –2025. – V. 32. – No. 3. – Art. no. 033103.

12. Ulmaskulov M. R., Shunailov S. A., Sharypov K. A., and Yalandin M. I. Multistage converter of high-voltage subnanosecond pulses based on nonlinear transmission lines // J. Appl. Phys. – 2019. – V. 126. – No. 8. – Art. no. 084504.

13. Alichkin E. A., Pedos M. S., Ponomarev A. V., et al. Picosecond solid-state generator with a peak power of 50 GW // Rev. Sci. Instrum. – 2020. – V. 91. – No. 10. – Art. no. 104705.

14. Patrakov V. E., Pedos M. S., Ponomarev A. V., et al. A 100 GW, 100 ps solid-state pulsed power system based on semiconductor opening switch generator and magnetic compression lines // Rev. Sci. Instrum. – 2024. – V. 95. – No. 8. – Art. no. 084709.

15. Mesyats G. A., Rukin S. N., Shpak V. G., and Yalandin M. I. // Ultra-Wideband Short-Pulse Electromagnetics 4 (IEEE Cat. No. 98EX112). – 1999. – P. 1-9.

16. Патраков В. Е., Рукин С. Н. Собственная волноводная дисперсия ферритовых коаксиальных линий // Proceedings of 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects. – 16-21 Sept. 2024. – Tomsk: TPU Publishing House, 2024. – P. 457-462.

17. Patrakov V. E. Numerical Investigation of Higher Order Propagation Modes in High-Power Magnetic Compression Lines // IEEE Trans. Plasma Sci. – 2025. – V. 53. – No. 7. – P. 1531-1542.

18. Patrakov V. E., Rukin S. N., Shunailov S. A., and Yalandin M. I. Simulation of the Output Stage of Picosecond Multi-Gigawatt Electron Accelerator // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2024. – V. 88. – No. Suppl 4. – P. S538-S545.

19. Павловская Н. Г., Кудрявцева Т. В., Дронь Н. А. и др. Малогабаритная трубка с холодным катодом для получения быстрых электронов // ПТЭ. – 1973. – № 1. – С. 22-24.

20. Reutova A. G., Sharypov K. A., Shpak V. G., et al. Current probes for picosecond electron beams // Proc. of 15-th Int. Symp. on High Current Electronics. – 2008. – P. 111-114.

21. Yalandin M. I., Lobanov L. N., Osipenko E. A., et al. Picosecond resolution collector sensor for diagnostics of subrelativistic electron bunches // IEEE Trans. Instrum. Measur. – 2023. – V. 72. – Art. no. 1008808.

22. Здещиц В. М., Тарасов М. Д., Цукерман В. А. Спектрально-временные исследования свечения воздуха, возбуждаемого быстрыми электронами // ЖТФ. – 1989. – Т. 59. – № 5. – С. 51–55.

23. Желтов К. А., Зданович И. Г., Нечаев М. Н. Динамика электронного пучка пикосекундного сильноточного ускорителя // ЖТФ. – 1999. – Т. 69. – №. 5. – С. 111-115.

24. Баранов В. Ф. Дозиметрия электронного излучения (М.: Атомиздат, 1974).

25. Ivey H. F. Space charge and transit time considerations in planar diodes for relativistic velocities // J. Appl. Phys. – 1952. – V. 23. – No. 2. – P. 208-211.

26. Эльяш С. Л., Лойко Т. В., Юрьев А. Л., Селезнев А. А. Регистрация импульсов электронного излучения, генерируемого субнаносекундным ускорителем // ПТЭ. – 2019. – №. 4. – С. 79-83.

Для цитирования:

Патраков В.Е., Лобанов Л.Н., Педос М.С., Рукин С.Н., Шарыпов К.А., Шунайлов С.А., Тимошенков С.П., Яландин М.И. Пикосекундный ускоритель электронов с энергией 3 МэВ и мощностью 40 ГВт. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.14