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:

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 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 м3; квазиоднородная газоразрядная плазма может быть создана в объёме до 70 м3. 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 1013 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.

Технические параметры

  • Ускоряющее напряжение – до 800 кВ
  • Ток электронного пучка – до 10 кА
  • Длительность импульсов тока и напряжения – 17 нс
  • Частота следования импульсов – до 100 Гц
  • Фокусирующее магнитное поле – до 3 Тл