Динамика плазмы в диодах сильноточных генераторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Сильноточный генератор "Мираж".

Глава П. Новые диагностические методы.

II. 1. Сильноточные вакуумные диоды для регистрации мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения.

П.2. Рентгеновские электронно-оптические преобразователи с

МКП - катодами.

П.З. Методика зондирования сильноточного диода ИК-излучением с длиной волны 5.23 мкм.

11.3.1. Параметрическое преобразование частоты вверх и его использование для визуализации ИК-изображе

П.3.2. Лазер на парах рубидия.

П.З.З. Регистрация теневых изображений диодной плазмы в

ИК лучах.

II.3.4. Хронография ИК излучения с помощью ППЧ вверх.

IL4. Измерение распределения концентрации газа в легких лайнерах

Глава III. Нагрев тонких фольг сфокусированным электронным пучком на установках "НПР-2М" и "Ангара-1".

III. 1. Измерение излучения плотной плазмы анодной фольги и определение температуры фокального пятна.

III. 2. Ускорение ионов из плазмы анодной фольги, нагреваемой

Глава IV. Исследования фокусировки электронного пучка и динамики плазмы в сильноточном фокусирующем диоде.

IV. 1. Постановка задачи и электротехнические параметры установки

IV.2. Исследования пространственно-временных характеристик взаимодействия электронного пучка с анодом.

IV.3 Исследования динамики диодной плазмы.

IV.3.1. Зондирование фокусирующего диода лазерным излучением

IV. 3.2. Определение плотности и температуры плазмы анодного факела и скорости его движения.

IV. 4. Обсуждение экспериментальных результатов и их сравнение с результатами численного моделирования.

Глава V. Экспериментальные исследования динамики имплодирующей плазмы при реализации схемы "лайнер-мишень".

V. 1. Постановка задачи и общая схема экспериментов.

V. 1.1. Экспериментальные установки и средства диагностики.

V.2. Исследования устойчивости плазменной оболочки при ее магнитной имплозии.

V.2.I. Сжатие пластиковых лайнеров с газовой "шубой".

V.2.2. Сжатие газовых лайнеров.

V.3. Экспериментальное моделирование схемы "лайнер-мишень"

V. 4. Экспериментальные исследования формирования и динамики сильноточных гетерогенных Z-пинчей.

Глава VI. Исследования электромагнитных полей в плазменном размыкателе оптическими методами.

VI. 1. Регистрация электрических полей в плазме ППТ по штарковскому уширению линии Яа.ПО

VI.2. Регистрация турбулентных шумов в плазме плазменного прерывателя тока по рассеянию лазерного излучения.

Развитие техники генераторов сильноточных РЭП и появившиеся в связи с этим перспективы их использования для реализации инерциапьного У ТС [1,2], моделирования рентгеновских мишеней и создания источников мощного импульсного рентгеновского излучения потребовало детального изучения физических процессов, происходящих в сильноточных диодах. Кроме того, изучение динамики плазмы, обладающей в таких объектах нетривиальными свойствами и экстремальными параметрами, имеет самостоятельный фундаментальный интерес.

Представленная работа содержит результаты выполненных в 1976-1998 гг. экспериментальных исследований динамики плазмы в сильноточных диодах различных типов и конфигураций: в сильноточном фокусирующем диоде, диоде с легкой имплодирующей плазменной оболочкой (лайнером) и в плазменном размыкателе (плазменном прерывателе тока - ППТ).

Общим для всех этих на первый взгляд достаточно отличающихся объектов является доминирующее влияние магнитного поля протекающего тока и связанных с ним пондеромоторных сил на движение диодной плазмы, что и определяет их нетривиальное поведение.

Общими также, к сожалению, трудностями являются жесткие требования к применяемым диагностическим методам. Они должны обладать высоким временным (1-10 нсек) и пространственным (~ 0.1 мм) разрешением, достаточно высокой чувствительностью, и быть работоспособными в условиях сильных электромагнитных и радиационных полей. К тому же поставленные задачи требовали регистрации пространственно-временных плазменных характеристик, поэтому большая часть информации получалась с применением электронно-оптических методов исследования как в оптическом, так и в рентгеновском диапазонах, а также методов лазерного зондирования. Некоторые из этих методов впервые были разработаны и применены нами.

Целью данной работы являются: 1. исследование фокусировки сильноточного РЭП в диоде и нагрева им плотной плазмы анодной фольги;

2. изучение пространственно-временных характеристик диодной плазмы и построение "сценария" работы сильноточного фокусирующего диода;

3. экспериментальные исследования некоторых аспектов динамики плазмы при магнитной имплозии легких токонесущих оболочек и Z-пинчeй в рамках программы "лайнер-мишень";

4. исследования неравновесных электромагнитных полей в плазме ППТ;

5. создание адекватных диагностик для решения указанных выше задач.

Автор выносит на защиту следующие положения:

1. Создание сильноточного генератора РЭП "Мираж".

2. Разработку и создание ряда новых рентгеновских и оптических методов диагностики плазмы, РЭП и газовых струй, в том числе рентгеновских ЭОП'ов с МКП-катодами и применение метода "ап-конверсии" для визуализации теневых изображений короткоживущей плазмы на длине волны 5,23 мкм.

3. Результаты экспериментальных исследований фокусировки электронного пучка в сильноточном диоде, включая обнаружение его сверхострой динамической фокусировки и миграции фокуса по поверхности анода в пределах интегрального фокального пятна.

4. Исследования нагрева плазмы анодной фольги сфокусированным электронным пучком и сопутствующих этому эффектов (динамику ее разлета, излучение МР и генерацию быстрых ионов).

5. Построение "сценария" работы сильноточного фокусирующего диода с малым аспектным отношением.

6. Результаты экспериментальных исследований динамики плазмы при ее магнитной имплозии, выполненных в рамках программы "лайнер-мишень", в том числе экспериментальное моделирование теплопроводностной схемы конверсии кинетической энергии лайнера в рентгеновское излучение и увеличение аксиальной теплопроводности при внесении в плазму примесей со средним "Z'A

7. Регистрацию неравновесных электромагнитных полей в ППТ по штарков-скому уширению линии и по рассеянию лазерного излучения.

Среди новой информации, полученной в ходе выполнения настоящей работы, можно выделить следующие основные результаты.

1. Впервые в СССР разработана методика регистрации мощного импульсного ВУФ и МР излучения на основе открытых вакуумных диодов с алюминиевыми катодами. С ее помощью в экспериментах по нагреву плотной плазмы анодной фольги сфокусированным электронным пучком впервые непосредственно подтвержден эффект увеличения удельного энерговклада сильноточного РЭП по сравнению с одночастичным из-за явления "магнитного стоппинга" - удлинения траектории электронов в магнитном поле пучка.

2. В этих же экспериментах зарегистрированы ионы с энергией несколько МэВ, ускоряемые электрическим полем на границе плазма - вакуум.

3. Впервые для регистрации изображений в мягком и жестком рентгеновском излучении были разработаны ЭОП'ы, рентгеновским катодом и одновременно усилительным элементом которых является ]У1КП; они были использованы в плазменном эксперименте.

4. С применением этой методики впервые были обнаружены динамическая острая фокусировка электронного пучка в диоде и эффект миграции фокуса пучка по плоскости анода в пределах интегрального фокального пятна, а также подтвержден замагниченный характер электронного течения в плотной плазме.

5. Впервые в практике диагностики плазмы для регистрации теневых изображений в среднем ИК-излучении был применен метод параметрического преобразования частоты вверх ("ап-конверсия"). В модельных экспериментах по определению временного разрешения метода излучение с длиной волны 5,23 мкм зафиксировано с рекордным временным разрешением 10"'Л сек.

6. Впервые с помощью лазерного зондирования в широком диапазоне длин волн (от 0,266 мкм до 5,23 мкм) исследована динамика диодной плазмы различной концентрации. Обнаружена немонотонность разлета анодной плазмы в результате ее взаимодействия с магнитным полем пучка.

7. На основании комплексных исследований динамики диодной плазмы и электронного пучка сделан вывод, что работа острофокусирующего диода с мапым аспектным отношением хорошо описывается моделью вакуумного диода, электродами которого являются движущаяся анодная и катодная плазма. Экспериментальные результаты находятся в согласии с численными расчетами, выполненными в рамках этой модели.

8. При магнитной имплозии лайнера диаметром в несколько сантиметров из газа со средним 2 (азот) экспериментально зарегистрировано формирование тонкой (5 = 0.2 Л 0.3 мм) плотной оболочки уже на стадии разгона. Эта оболочка подвержена влиянию быстрой неустойчивости, приводящей к ее разрыву на стадии сжатия. Устойчивое 8 ч- 10 - кратное сжатие достигается при переходе на почти сплошные 7-пинчи из слабоизлучающих легких газов (РглНё).

9. Разработана методика измерения распределения плотности в полой импульсной газовой струе по рэлеевскому рассеянию лазерного излучения с электронно-оптической регистрацией изображения в рассеянном свете.

10. Качественно продемонстрирована реализация теплопроводностного механизма трансформации магнитной энергии в рентгеновское излучение.

11. Показано, что наличие локальных примесей со средним Z в гелиевом Ъ-пинче приводит к увеличению выделения энергии на торец.

12. В ППТ на стадии протекания тока по штарковскому уширению водородной линии На зарегистрированы неравновесные электрические поля различной природы. Турбулентные шумы зарегистрированы также по рассеянию лазерного излучения, приводящему к угловому уширению зондирующего светового пучка.

Научная и практическая ценность.

1. Результаты исследований физических процессов в фокусирующем диоде и взаимодействия сфокусированного РЭП с фольгами показали бесперспективность применения сильноточного РЭП как драйвера в инерциальном У ТС. Эти работы послужили стимулом для поиска других путей реализации энергии сильноточных генераторов.

2. Модельные эксперименты подтвердили принципиальную возможность осуществления теплопроводностного механизма трансформации магнитной энергии в мощное импульсное рентгеновское излучение по схеме "лайнер-конвертор".

3. Уровень турбулентных электрических полей в плазме ППТ, зафиксированных по штарковскому уширению линии На, а также по рассеянию лазерного излучения, достаточен для проявления аномальных резистивных эффектов, которые могут существенно повлиять на динамику плазмы в ППТ, что необходимо учитывать при численном моделировании.

4. Оригинальные методы диагностики, разработанные нами в процессе выполнения диссертационной работы, представляют самостоятельный интерес и могут применяться в других плазменных экспериментах и исследованиях быстропротекающих процессов.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. В первой главе описан сильноточный электронный ускоритель "Мираж", построенный под руководством и при непосредственном участии автора; на нем были проведены исследования фокусирующего диода.

У1.3. Выводы

1. В плазме ППТ на стадии проводимости существуют как квазипостоянное электрическое Холловское поле, так и турбулентные электростатические колебания различной природы. Идентификация этих полеу осуществлена по штарковскому уширению линии НЛ

2. Неравновесные пхумы зарегистрированы также по рассеянию лазерного излучения, приводящему к угловому уширению зондирующего светового пучка.

3. Интенсивность зарегистрированных колебаний достаточна для проявления аномальных резистивных эффектов, которые могут существенно повлиять на динамику плазмы в ППТ, и их следует должным образом учитывать при численном моделировании.

Заключение

1. Создан сильноточный генератор РЭП "Мираж" с высокими для того времени выходными характеристиками {U = 800 кВ, /= 400 к А, W= 12 кДж). Достигнута хорошая воспроизводимость параметров пучка и обеспечена возможность применения разнообразной диагностической аппаратуры.

2. Разработаны и впервые использованы в плазменном эксперименте новые диагностические методы: регистрация изображений в мягком и жестком рентгеновском излучении ЭОП'ами, рентгеновским катодом и одновременно усилительным элементом которых является МКП; визуализация теневых изображений в среднем ПК излучении с помощью "ап-конверсии"; применение вакуумных диодов с алюминиевыми катодами в качестве детекторов мощного импульсного мягкого рентгеновского излучения.

3. Установлено, что при нагреве анодной фольги сфокусированным электронным пучком образуется плотная плазма с температурой ~40 эВ, излучающая мягкое рентгеновское излучение мощностью 10Л Вт. Вклад энергии электронного пучка в фольгу превышает величину, рассчитанную в одночастичном приближении, из-за явления "магнитного стоппинга" - удлинения траектории электронов в магнитном поле пучка. На границе плазма-вакуум электрическое поле разделения зарядов ускоряет ионы до энергий порядка ZU, где U - энергия электронного пучка, а Z - характерный заряд ионов материала анодной фольги.

4. В диоде с малым аспектным отношением обнаружена острая динамическая фокусировка электронного пучка с плотностью тока до 1СЛ МА/смЛ; его фокус мигрирует по плоскости анода в пределах интегрального фокального пятна. Диодная плазма движется немонотонно за счет взаимодействия с магнитным полем пучка. На стадии роста тока разлет плазмы в диоде тормозится магнитным полем, а после достижения его максимума - ускоряется. В момент изменения знака ускорения электродной плазмы происходит расфокусировка пучка и возникают колебания диодного тока. Работа острофокусирующего диода с малым аспект-ным отношением хорошо описывается моделью вакуумного диода, электродами которого являются движущаяся анодная и катодная плазма. В рамках этой модели невозможно достижение параметров электронного пучка, необходимых для поджига термоядерных мишеней; это исключает применение электронного драйвера для осуществления инерциачьного У ТС.

5. Разработана методика измерения распределения плотности в полой импульсной газовой струе по рэлеевскому рассеянию лазерного излучения с электронно-оптической регистрацией изображения в рассеянном свете. С помощью этой методики в ряде экспериментов были обнаружены сильные локальные неоднородности плотности струи, которая в некоторых случаях имела слоистую структуру. Такие неоднородности принципиально не могут быть обнаружены с помощью интерферометрии. Отметим, что локальные возмущения плотности могут быть дополнительной причиной неустойчивого сжатия газового лайнера.

6. В процессе сжатия токонесущих лайнеров доминирующую роль играет хол-ловская неустойчивость, особенно опасная для лайнеров с малой концентрацией и большим значением Z; она же может выступать в качестве начального возмущения при развитии неустойчивости Рэлей-Тэйлора. Её удается стабилизировать увеличением начальной толщины оболочки из слабоизлучающих газов (Я2, Не), в пределе переходя к магнитному сжатию "сплошных" Z-пинчей.

7. При имплозии лайнеров из хорошо излучающих газов развитие неустойчи-востей и сопутствующих этому явлений стимулируется формированием в процессе магнитного сжатия тонкой оболочки из плазмы большой плотности. Её толщина на порядок меньше скиповой, а плотность более чем на порядок превышает начальную.

8. В модельных экспериментах продемонстрирована работоспособность схемы "лайнер-мишень", реализующей теплопроводностный механизм трансформации магнитной энергии в рентгеновское излучение. Экспериментальные данные находятся в хорошем соответствии с результатами численного моделирования. Показано, что наличие локальных примесей со средним Z в гелиевом 2-пинче приводит к увеличению выделения энергии на торец.

9. Показано, что в плазме ППТ на стадии проводимости существуют как квазипостоянное электрическое холловское поле, так и турбулентные электрические поля. Идентификация этих полей осуществлена по штарковскому уширению линии Яа, а также по рассеянию лазерного излучения, приводящему к угловому уширению зондирующего светового пучка. Интенсивность зарегистрированных

126 колебаний достаточна для проявления аномальных резистивных эффектов, которые могут существенно повлиять на динамику плазмы в ППТ.

•к -к it

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность Л.И. Рудакову, чьи воззрения долгое время определяли тематику работы ОРП, в рамках которой и была выполнена настоящая диссертация.

Автор искренне признателен A.C. Кингсепу и К.В. Чукбару за ценные обсуждения некоторых аспектов работы и моральную поддержку.

Я благодарен сотрудникам диагностической лаборатории и группы "Мираж" Ю.М. Горбулину, CA. Данько, Д.М. Злотникову, Р.В. Чикину, А.Ю. Шаш-кову и В.М. Щеголю, а также другим сотрудникам ОРП, в сотрудничестве с которыми были получены основные результаты.

1. Winterberg F. Phys. Rev., 1968, v. 174, № 1, p. 212.

2. Babykin M. V., Zavoysky E. K. et al. Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, IAEA, Vienna, 1971, v. 1, p. 635.

3. Бабыкин M.B., Бартов A.B. Препринт ИАЭ-2253, М., 1972.

4. Cooperstein G., Condon J.J., Boiler J.R. NRL Memorandum, Report 2671, Oct. 1973.

5. Месяц Г А. Генерирование мощных наносекундных импульсов, М., "Сов. радио", 1974.

6. Смирнов В.П. Препринт ИАЭ-2771, М., 1977.

7. Горбулин Ю.М., Злотников Д.М., Канинин Ю.Г., Скорюпин В.А. Препринт ИАЭ-2910, М., 1977.

8. Shipman J.D. IEEE Transaction, 1971, v. 18, № 4, p. 243.

9. Markins D. IEEE Transaction, 1971, v. 18, № 4, p. 296.

10. Ельчанинов A.C., Емельянов В.Г. и др. ПТЭ, 1974, № 2, с. 103.

11. Горбулин Ю.М., Злотников Д.М., Калинин Ю.Г., Скорюпин В.А. ВАНТ, Сер. ТС, 1979, т. 2, № 4, с. 84.

12. Kerns JR., Johnson D.J. J.Appl. Phys., 1974, v. 45, p. 5225.

13. Боголюбский СЛ., Ликсонов В.И., Попов Ю.П. и др., Письма в ЖЭТФ, 1976, т. 24, № 4, с. 202.

14. Babykin M. V., Baigarin К. А., Bartov A. V. et al. S'A European conference on plasma physics and controlled fusion, Prague, 1977, v. 2, p. 251.

15. Макуиртер P. "Спектральные интенсивности", в сб. Диагностика плазмы, М., 1967, с. 165.

16. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, М., 1966.

17. Babykin M.V., Baigarin К.А., Bartov A.V., . Kalinin Yu.G. et al. Proceedingsof the 3International topical conference on high power electron and ion beam research and technology-1979, Novosibirsk, 1979, p. 499.

18. Бабыкин M.B., Байгарин K. A., Бартов A.B., Горбулин Ю.М., Данько С.А., Калинин Ю.Г., Махов В.Н., Скорюпин В.А. Физика плазмы, 1982, т. 8, № 2,с. 415.

19. Зайдель А.Н., Шрейдер Е.Я. Вакуумная спектроскопия и ее применение, и., 1976.

20. D ay R. H . in Low energy X-ray diagnostics, AIP Conference proceedings, N. Y., 1981, p. 44.

21. Samsen J.A.R., Caims R.B. J. Opt. Sac. Am., 1965, v. 55, p. 1035.

22. Топорков C.A., Сулабе H.A. Оптика и спектроскопия, 1976, т. 40, № 6, с. 1081.

23. Veigele W.J. Atomic data, 1973, v.5, p. 51.

24. Hagemann H.-J., Gudat W., Kunz C. J. Opt. Soc. Am., 1975, v. 65, p. 742.

25. Подмошенский И.В., Пухов A.M., Яковлева А.Я. ЖПС, 1972, т. 16, № 3, с. 415.

26. Якименко М.Н. УФН, 1974, т. 114, № 1, е. 55.

27. Chikin R. V., Gorbulin Yu.M., Kalinin Yu.G., et al. ICfAEuropean Conf on Controlled Fusion andPlasma Physics, Moscow. 1981, v. 1, p. F-2b.

28. Алтынцев A.T., Красов В.И., Лебедев Н.В. и др. Физика плазмы, 1982, т. 8, № 1,с. 115.

29. Аранчук Л.Е., Айвазов И.К., Боголюбский СЛ. и др. ПТЭ, 1983, № 1, с. 157.

30. Гольцов А.Ю. и др. в кн. "Диагностика плазмы"", Москва, Энергоиздат,1981, т. 2, с. 91.

31. Шаген П. "Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений", Москва, Мир, 1978, т. 1, с. 14.

32. Горбулин Ю.М., Злотников Д.М., Калинин Ю.Г. и др. Письма в ЖЭТФ,1982, т. 35. с. 332.

33. Вьюгина Т.е., Горбулин Ю.М., Злотников Д.М., Калинин Ю.Г. и др. Доклад на Всесоюзной школе по пикосекундной технике, Цахкадзор,1982.

34. Gorbulin Yu.M., Zlotnikov D.M., Kalinin Yu.G., et al. Japan-US Seminar on Theory and Application of Multiply-Ionised Plasma Produced by Laser and Particle Beams. Nava, Japan, 1982.

35. Горбулин Ю.М., Злотников Д.М., Калинин Ю.Г. и др. Тезисы докл. III Всесоюзн. сов. по диагн. высокотемп. плазмы, Дубна, 1983, с. 41.36