Экспериментальное исследование динамики излучающей плазмы каскадных нагрузок в разрядах тераваттной мощности на установке "Ангара-5-1" тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

I 1 и • ■

2 2 МАЙ ^

Московский ордена Трудового красного знамени Физико-технический институт

На правах рукописи БРАНИЦКИИ Александр Викторович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ИЗЛУЧАЩЕИ ПЛАЗМЫ КАСКАДНЫХ НАГРУЗОК В РАЗРЯДАХ ТЕРАВАТТНОИ МОДНОСТИ НА УСТАНОВКЕ "АНГАРА-5-1"

(01.04.08 - физика и химия плазмы)

Автореферат диссертации на соискание, ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1995

Гагюта выполнена в Троицком институте инновационных, и термоядерных исследований.

Научные руководители: к.ф.-м.н. С.Л.Недосеев, к.ф.-м.н. В.Я.Царфин.

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н. Э.И.Асиновский (ИВТАН, член Совета) д.ф.-м.н. Н.Г.Ковальский (ТРИНИТИ)

Ведущая организация - Институт спектроскопии РАН.

Защита состоится "..".........1.995 г. на заседании

специализированного совета К063.91.06 факультета молекулярной и химической физики Московского физико-технического института по адресу: 141700, г.Долгопрудный Московской обл., Институтский пер. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан ".."......... 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета к.ф.-м.н.

В.В.Ковту^

I. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Успехи последнего времени и создании ющных импульсных генераторов тока привели к возможности ^пользования получаемой, с их помощью плазмы в исследованиях по шерциальному термоядерному синтезу, в качестве источника мягкого эентгеновского излучения (МРИ), в том числе для фотолитографии, эентгеновской микроскопии и в медицинских целях. Возможно фименение такой плазмы для накачки рентгеновских лазеров, юлучения сверхвысоких давлений, изучения свойств вещества при сверхвысоких температурах и давлениях. Поэтому важным является ^следование наиболее эффективных способов получения мягкого эентгеновского излучения с различными свойствами и плазмы с [аиболее высокими параметрами с помощью таких генераторов. На установке "Ангара-5-1" такие работы велись по ДЕум основным темам: каскадный лайнер и излучвпцие г-пинчи.

Каскадный лайнер. Удар сжимаемого собственным током внешнего гайнера о соосный с ним внутренний лайнер позволяет генерировать зысокоинтенсивное рентгеновское излучение в полости внутреннего гайнера, куда может быть помещена термоядерная мишень, активная зреда рентгеновского лазера. Сильноизлучащее вещество внешнего гайнера обеспечивает радиационную экранировку внутреннего зайнера. Расчеты, выполненные С.В.Захаровым, В.П.Смирновым, З.А.Гасиловым и др., предсказывают перспективность этой зхемы в качестве рентгеновского драйвера для ИТС.

Излучающие г-пинчи. Высокие скорости нарастания тока И/сихз.б'Ю14А/с, реализуемые генераторами, аналогичными 'Ангаре-5-1", позволяют создавать и использовать в кячостго сверхмощных источников рентгеновского излучения г-гашчи с высокой шчальной плотностью вещества, вплоть до твердотельной. Полной эеализации возможностей препятствует образование на нач.'ш;км этапе короны из относительно редкой плазмы вокруг нпгругки. Треодо.пение этой проблемы (холодный старт) с помощ1.»1 (омпозитных пинчей есть предмет совместного междупл;..' о,,, . эксперимента на установке "Ангара-5-1".

В этих программах мягкое рентгеновское излуч-ние ■ г 'Г тетенсивности ЯТВт является одновременно продуктом «.-¡.¿и- .:„.«.: средством анализа физических процессов в излучающей ¡и::; м--сверхвысокими параметрами.

В диссертации приведены результаты эксперимент;-^ ,п;х теследований, проведенных автором в ходе выполнения вышеук.чч-.г.^х

¡■г>"Г¡тми в течоние 1990-1994г.г.

Целью работы являлось:

- исследование имплозии внешнего лайнера каскадной схемы возникающих при этом неустойчивостей, выбор оптимальных начальна

параметров;

- проверка работоспособности лайнерной каскадной схе* обострения мощности на основе измерений мягкого рентгеновског излучения из полости и снаружи каскадного лайнера;

- исследование динамики плазмы и распределения магнитно1 поля в г-пинче с "холодным стартом".

- изучение процессов концентрации тока в композитном г-гопг

на основе измерений его мягкого рентгеновского излучения.

✓

Научная новизна.

"Ангара-5-1" является крупнейшей в Европе' установкой тако] типа. Основным направлением работ является исследование физики прикладных возможностей новых, геометрически сложных, виде разрядов, таких как каскадный лайнер, композитный г-пинч. Поэто! научная новизна результатов связана как с исследованиями ] новом, более высоком, уровне энерговклада, так и изучением нов] схем быстрых разрядов.

1.Обнаружен эффект частичного запирания излучения в полос каскадного лайнера, найдено превышение мощности изнутри н мощностью снаружи. При токах до 3.5МА мощность мягко рентгеновского излучения в ударе достигает 1-2ТВт/см2, при эт спектр отличается от чернотельного.

2.Впервые изучена филаментация газового лайнера при уров токг) через него 3-3.5МА с временем нарастания 50-100нс, котора в отличие от плазменных фокусов, не может быть оОъясне ролианионной неустойчивостью. Показана возможность объяснен экспериментальных данных неизотермической неустойчивостью плазм

3.Впервые исследовано методом фарадеевского вршцен распределение магнитного поля в короне г-пинча, образование разрядом с временем ~100нс, током ~ЗМА через твердотельь нагрузку. Сделан вывод о способности короны перехватывать' час тока пинча, о плохой применимости "холодного старта" для создав однородного компактного пинча с термоядерными параметрак Обнаружены локальные магнитные поля около 5МГс.

4.Впервые исследованы процессы концентрации тока и мощное!

композитном Z-пинче тераваттного уровня на основе измерения мягкого рентгеновского излучения с пространственным и временным разрешением. Сделан вывод о проникновении заметной доли тока до момента максимума излучения лишь в материал внешнего тонкого слоя центральной нити, испаренного до прихода на нее токовой оболочки. Ток через диаметр 0.5-1мм оценен в 0.2-0.5МА.

5.Разработана методика оперативного измерения мощности излучения на основе широкополосного ВРД с катодом и фильтром из близких материалов.

Научная и практическая ценность работы:

Диссертационная работа выполнена в рамках программ "Каскадный лайнер" и "Z-пинч" ОИРП ТРИНИТИ, международных экспериментов JEX'92 и "Каскадный лайнер '93". Ее результаты используются в ходе выполнения и развития этих программ, могут применяться в исследованиях по инерциальному термоядерному синтезу, источникам мягкого рентгеновского излучения и в смежных областях.

Созданные и опробованные методики измерения и расчета мощности и спектрального распределения мягкого рентгеновского излучения могут найти применение во всех случаях, когда необходима диагностика высокотемпературной плазмы с субнаносекундными временами.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты измерения мощности излучения из полости и снаружи каскадного лайнера (в т.ч. с пространственным разрешением) свидетельствуют о работоспособности схемы, несмотря на развивающиеся неустойчивости. При токе нагрузки 3-3.5МА достигнут уровень мощности излучения в ударе 1-1.5ТВт/смг, локально до 1,5-2.5ТВт/сма. При этом найдено, что спектр отличается от чернотельного.

2. Результаты исследования динамики сжатия внешней оболочки каскадного лайнера ' показывают, что возникающие при этом неустойчивости могут несколько снизить эффективность преобразования кинетической энергии в излучение, не нарушая, однако, работоспособности схемы в целом. Имеющая место филаментация не может быть объяснена радиационной неустойчивостью. Экспериментальные данные могут быть объяснены неустойчивостью неизотермической плазмы.

3. Результаты исследования динамики плазмы и магнитных полей в короне й-пинча, образованного электрическим разрядом через твердый цилиндр, показывающие возможность перехвата части тока пинча образующейся при холодном старте короной, что снижает эффективность его сжатия". При этом в короне обнаружены локальные магнитные поля около БМГс.

' 4. Результаты исследования излучения композитного г-пинча в диапазоне 0.15-1.БкэВ, показывающие, что значительная часть полного тока (~0.2-0.5МА) ската до радиуса 0.2-0.5мм, причем вплоть до 1-го сжатия пинча ток проникает в основном лишь в поверхностный, заранее испаренный, слой вещества центральной нити. Обнаружена эффективная' передача мощности генератора в нагрузку.

Апробация работы.

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на всесоюзных совещаниях по физике плазмы и УТС в Звенигороде в 1990, 1991, 1993, 1994 годах, V совещании по диагностике высокотемпературной плазмы- в Минске, 1990г., 8-ой Международной конференции "Веатз-90" в Новосибирске, 3-ей Международной конференции по плотным г-пинчам в Лондоне, 1993г, 15-й Международной конференции по физике плазмы и УТС в Севилье, 1994г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем диссертации» '

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит ... страниц, включающих .. рисунков и библиографии, включающей .. наименования.

II. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана краткая характеристика исследуемых проблемм, сформулирована цель работы, указано место диссертационной работы среди других научных исследование. В виде краткой аннотации отражено содержание, структура диссертации, изложение того нового, что внесено автором в исследуемые проблемы, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе кратко описана установка "Ангара-5-1",

являющаяся 8-модульным генератором тока, расчитанным на мощность до 9 ТВт. Эксперименты проводились при токах 2.5-4МА со временем нарастания 70-90нс. Подробно описаны используемые диагностики и методики обработки результатов, в том числе разработанные автором. Использовались данные лазерного зондирования, фарадеевских измерений, оптической и рентгеновской разверток, вакуумных рентгеновских фотодиодов (ВРД), датчиков тока.

ВРД были выбраны для измерений мощности мягкого рентгеновского излучения из-за сочетания доступности и простоты при временном разрешении 0.5-1 не с большой амплитудой сигнала (сотни вольт), что удобно на установке с высоким уровнем электрических помех и необходимо для регистрации на имевшихся быстрых осциллографах СРГ-5 (полоса не менее 1.5ГГц).

Автором был разработан новый тип широкоплосного ВРД для измерения мощности одним датчиком. Для него интервал приблизительно равномерного отклика 0.15-1кэВ. Мощность, измеренная им, совпала с измерениями другими методами с точностью лучше 25%. Принцип подбора фильтра основан на том, что если фильтр и катод сделаны из близких материалов, то фильтр сильно поглощает как раз в тех спектральных зонах, где велика чувствительность катода. Подобрав соответствующую толщину фильтра из цапон-лака, удалось получить относительно равномерный общий отклик в случае катода из стеклографита - самого стойкого в условиях сильноточного разряда в вакууме с масляными примесями из-за летучести окисла и идентичности основного загрязнителя материалу катода.

Методика измерений и расчета мощности и спектральных особенностей мягкого рентгеновского излучения совершенствовалась автором в ходе всей работы над диссертацией. В первых экспериментах измерялась цветовая температура излучателя но отношению сигналов пары ВРД с разными фильтрами. Впоследствии был создан 4-5-канальный анализатор спектра на осноье ВРД с временным разрешением 0.5нс на диапазон 0.15-1.5кэВ.

Созданные программы позволяют оперативно восстанавливать мощность и спектральные особенности мягкого рентгеновского излучения. В кавдый момент времени решается система интегральных уравнений вида :

б *

«Г„ = —]" И «17).Г«1*).с1аи-) ,

к Г

о

I д<-; К - номер канала, J - плотность тока катода ВРД, в -! I'.„¡метрический коэффициент, г - расстояние от излучателя до датчика, И - спектральный отклик катода с фильтрами, -

искомая спектральная плотность мощности излучения.

Можно 1(Ш) представить в виде заданной функции нескольких параметров и решать систему относительно них. Наилучшие результаты получены для планковской функции с коэффициентом серости. Параметры - цветовая температура и коэффициент серости -находились по методу наименьших квадратов по 4-м сигналам ВРД. Программа написана при участии Г.М.Олейника и М.В.Зурина.

Написанная автором программа на основе метода линейных комбинаций позволяет получить несколько больше информации о спектральном распределении. Если спектральные отклики каналов локализованы на интервалах 1гу^<1п7<Цу^, а спектр внутри них положить Г^сопз!;, то система распадается на независимые уравнения, откуда легко находятся Г^ и можно построить спектр в виде гистрограммы. Метод достаточно надежен и работает при любой Форме спектре.

В оптимальном случае исследумый диапазоп Ьу разбивается спектральными откликами на несколько соседних интервалов. В диапазоне 0.15-1.5кэВ это обычно наталкивается на серьезные технологические трудности. Однако в ходе работы автору удалось подобрать линейные комбинации откликов 4-х каналов, удовлетворяющие этому условию, при использовании доступных фильтров, производство которых налажено в ТРИНИТИ.

Рентгеновская щелевая развертка СХР-3 позволила измерять мягкое рентгеновское излучение плазмы с пространственным разрешением 100-300мкм в том же спектральном диапазоне, что и [М'Л. При адаптации прибора на установке "Ангара-5-1" автором были [»•шины проблемы с защитой от жесткого рентгеновского излучения и .'..'¡•'кч'ричуоких помех. Временное разрешение составило ~0.3нс и ■ •¡■раничиьалоеь помехами.

Для исследования динамики плазменных объектов использовалось, в основном, лазерное зондирование (3 теневых кадра с длительностью 2нс, длина волны 694нм). При уровне ннврговклада, обеспечиваемом установкой, плазменные объекты /шляются сильно неоднородными, что диктует необходимость применения кадровых диагностик, дающих двумерную картину с хорошим временным разрешением. Плазма становится непрозрачной уже при п = (5—10) • 101 всм~3, что в нашем случае дало возможность

проследить развитие неодаородностей на стадии сжатия лайнера и в короне г-пинча, а также оценить п в них.

Примененный фарадеевский метод измерения распределения магнитного поля основан на вращении плоскости поляризации электромагнитной волны при ее распространении в плазме вдоль линий магнитного поля. В работе использовалась трехканальная методика СТ.Писарчик, А.А.Рупасов, Г.С.Саркисов, А.С.Шиканов. Препринт ФИАН N135, 1989г.]. Она позволяет вычесть неравномерность фоновой засветки и собственное излучение плазмы, которое на установке "Ангара-5-1" было весьма существенным.

При анализе экспериментальных данных использовались также временные развертки оптического излучения радиального, а в последних экспериментах и аксиального сечений лайнеров и г-пинчей при помощи прибора СФЭР-2М. Временное разрешение до 20пс, пространственное было ~100мкм по объекту.

Измерительный комплекс установки "Ангара-5-1" позволет контролировать ток на радиусе 110 'мм при помощи магнитных петель, а также напряжение на нагрузке.

~ "Во второй главе описывается исследование начальной стадии сжатия каскадного лайнера до момента его соударения с внутренним.

В этот период основные процессы происходят во внешнем лайнере: формируется токовая оболочка, однородность которой существенно влияет на конечные параметры соударения.

Применялось кольцевое профилированное сопло с расчетным числом Маха 6-7. Варьировалась погонная масса лайнера, зазор катод-анод, виды предыокизации, анодной сетки, начальная плотность лайнера, материал (Хе - основной, N0 - для сравнения). Исследовались неоднородности сжатия лайнера, в основном с помощью теневого лазерного 3-х кадрового фотографирования. Использовались также данные ВРД, оптической развертки СФЭР-2М.

При радиусе токовой оболочки ■ (И - радиус сопла)

развивается аксиальная стратификация внешней поверхности лайнера с масштабом ~0.5мм, лучше выраженная для малой погонной массы. Масштаб ее затем растет.

Азимутальные неоднородности имеют вид филамент, видимых на оптических развертках как светящиеся нити с самого начала сжатия лайнера до конечного охлопывания, п ~(3-5) «Ю1 всм_э в них достигается при й~й , когда ток достигает 150-300кА. Масштаб неодаородностей Ь~3мм, диаметр нитей ~1мм. Через 10-15нс пространственный масштаб возрастает вдвое. Когда И приближается к

1 /2R , наблюдается увеличение диаметра нитей до ~3мм. Ток при этом достигает 1-1.5МА, скорость сжатия быстро растет с 0.1мм/нс д--. 0.4-0.7мм/нс.

При R<1/2R на тенеграммах преобладает аксиальная стратификация внешней поверхности лайнера с масштабом около 2мм, к концу сжатия 5-1Омм. Она приводит к отставанию заметной доли (30-80%) его вещества от токовой оболочки.

В случае Ne лайнера несколько меньше развита аксиальная стратификация, в оптическом диапазоне зарегистрировано возникновение филамент в результате пробоя оболочки.

Над сетчатым анодом, вне зазора катод-анод, наблюдалось распространение ионизирующей ударной волны, которая возникает при пробое катод-анодного промежутка.

Отмечено сильное уменьшение zipper-эффвкта

(неодновременное™ сжатия вещества на разных расстояниях от катода) при использовании профилированного сопла. После прохождения среза сопла оболочка становилась практически цилиндриче ской.

'Экспериментально подобрана оптимальная погонная масса лайнера (100-150мкг/см), при которой сжатие происходит наиболее однородно, а импульс мягкого рентгеновского излучения имеет наибольшую амплитуду. Это значение оказалось вблизи расчетного оптимума по мощности излучения (1бОмкг/см).

Предетализация током предыимульса, предварительным пуском одного из модулей, ультрафиолетовым источником (энерговклад в лайнер несколько Дж) не меняла картины сжатия и мощности излучения для Хе лайнера.

Далее в главе 1 излагается обсувдение результатов эксперимента. Показано, что на стадйи развитой филаментации плотность ионов nt в нитях не менее, чем в 3 раза превышает начальную плотность ксенона и, скорее всего, имеет место азимутальная.модуляция п.

Ранее филаментация наблюдалась в плазменном фокусе Филипповым с сотрудниками и была об'яснена Имшенником и Неудачиным радиационно-перегревной неустойчивостью.

Для этой неустойчивости наибольший инкремент имеют самые коротковолновые мода, масштаб которых в нашем случае определяется теплопроводностью. Показано, что несмотря на достаточно большой инкремент ~1/j(1-5hc), масштаб таких неустойчивостей должен быть на порядок меньше наблюдаемого.

Проделанные оценки показали, что пространственный масштаб |иламентации, диаметр нитей, время развития удается об'яснить неустойчивостью за счет неизотермического режима сжатия лайнера, механизм которой был предложен С.В.Захаровым.

На фронте ударной волны в сжимающейся оболочке нагреваются главным образом имеющие большую кинетическую энергию ионы, передающие затем энергию электронам за время т* • Т^ ограничена радиационными потерями. В случае сильноизлучающего Хе лайнера а* (

может-быть большим, так что Т >>Т вплоть до конечного сжатия.

1 *»

При локальном возрастании плотности плазмы возрастает скорость передачи энергии от ионов электронам и затем в излучение, что ведет к локальному относительному понижению температуры и давления ионов. Под давлением окружающей плазмы плотность еще возрастает, что ведет к еще более быстрому охлаждению ионов. Сжатие останавливается на толщине скин-слоя из-за диффузии магнитного поля. Масштаб неоднородности не превышает звукового за время "коллапса" г^нити

Оценки по измеренным ускорению и масштабу неоднородаостей инкремента Рэлей-Тейлоровской неустойчивости (10нс)'1 указывают, что аксиальная стратификация может быть вызвана МГД-неустойчивостями.

Условия развития холловских неустойчивостей выполняются лишь на внешней поверхности лайнера вне основной его массы, где плотность плазмы достаточно мала. Влияние таких неустойчивостей на сжатие лайнера могло бы быть заметным вблизи электродов, а также в областях неоднородаостей его стенки из-за развития мгд-неустойчивостей, особенно при малых погонных массах. С ростом начальной массы лайнера при переходе к большему максимальному току установки влияние холловских неустойчивостей падает. _ —Неустойчивости внешней поверхности внешнего лайнера уменьшают эффективность преобразования энергии установки в излучение при ударе как из-за потери вещества при сжатии, тпк и из-за изменения локального соотношения масс лайнеров при достаточно глубокой модуляции стенки внешнего лайнера, однако наиболее опасны неустойчивости внутренней стенки внешнего лайнера. Короткий фронт импульса мягкого рентгеновского излучения при ударе (3.5нс) указывает на их относительно слабое развитии.

Третья глава посвящена исследованию соударения лайнеров путем измерения мягкого рентгеновского излучения из полости и снаружи каскадного лайнера.

Ссюсно формируемой кольцевым соплом струе Хе (®30мм, Г.0-250мкг/см) устанавливался цилиндр из агар-агара (©4мм, 200-300мкг/см, плотность ~10мг/см3) с наполнением (до 50%) из Мо порошка (диаметр зерна ~1мкм). При ударе сжимйпцегося под действием собственного тока внешнего лайнера о внутренний кинетическая энергия преобразуется в излучение. При этом наименьшая возможная длительность импульса т=б/У, где С - толщина ("скин-слоя), а V - скорость внешней оболочки, что для 0~0.1см и у~5-107см/с дает Г"2нс. Дополнительное обострение мощности излучения в полости внутреннего лайнера происходит за счет его экранировки веществом внешнего лайнера.

На этом этапе экспериментов по каскадному лайнеру надо было измерить мощность излучения снаружи и изнутри полости каскадного лайнера и понять степень соответствия реальной картины теоретическим представлениям.

Предварительные .теоретические расчеты (С.В.Захаров и др.) предсказывали чернотельный спектр излучения в момент удара. В этом случае яркостная температура Ть<_ равна цветовой Тсц1> В опытах измерялась ; по отношению двух сигналов ВРД с разными фильтрами. Было получено Т ц1=115-140эВ из внутренней полости лайнера и 80-90эВ с внешней поверхности в момент соударения. Однако мощность излучения была в 5-25 раз меньше, чем для чернотельного источника с такой температурой, то есть

Видимая осевыми датчиками площадь излучателя была очень мала и могля существенно меняться после удара, когда в область видимости входил верхний торец сжимающегося лайнера. В следующей с^рш экспериментов дно внутренней полости покрывалось В1, чтобы увеличить и фиксировать площадь излучателя. При переизлучении В1 дном Т упала до ~105эВ, однако мощность излучения осталась той

ч о 1

у;,- _

'(•г-, возможно за счет поглощения в плазме, летящей от ¡сюрнчвшейся поверхности коллиматора, либо из-за нечернотельного ■ч!нктра. Применение конструкции коллиматора, обеспечивающей отсутствие поглощающей плазмы перед датчиками, и разработанных методик измерения и расчета мощности и грубого спектрального распределения излучения без предположения о его спектре на основе нескольких ВРД показало, что причиной является отличие спектра излучения от чернотельного. Спектральный максимум лежит в диапазоне 2СЮ-ЗООэВ, при 1ту>0.5кэВ наблюдается заметный под'ем относительно гаганковской формы спектра.

При токе через нагрузку 3-3.5МА плотность мощности излучения достигала в лучших выстрелах 1-1.5ТВт/см3 интегрально по объекту. Энергия в импульсе мягкого рентгеновского излучения, соответствующем удару, достигает 3-6кДж за 4-5нс. Это в ~3 раза меньше расчетного значения.

Для исследования пространственной неоднородности излучения применена рентгеновская развертка СХР-3 (радиальное сечение).

На рентгеновских развертках в некоторых выстрелах заметна азимутальная неоднородность удара, связанная как с филаментацией, так и с нэсоосностыо сжатия внешнего лайнера (до 1-2мм). Развивающиеся неустойчивости растягивали длительность вспышки излучения, соответствующей удару, до ~5нс, а фронт до 3-4нс, снижая эффективность удара. Однако локально по пространству длительность вспышки мягкого рентгеновского излучения близка к теоретической модели и составляла 1-2нс. С учетом пространственного распределения излучения локальные значения его плотности мощности составляли в лучших выстрелах 1.5-2.5ТВт/сма.

В некоторых выстрелах скорость внешней оболочки в момент удара превышала 1мм/нс, хотя обычно лежала в диапазоне 0.5-0.7мм/нс. Такая большая скорость не могла соответствовать всей~ массе лайнера. Возможно, в этих случаях наблюдалось расслоение внешнего лайнера, когда к оси ускорялась относительно небольшая доля его массы (10-30Ж) со значительной долей тока.

Т 1 из внутренней полости в момент соударения оказывается выше, чем с наружной поверхности. В лучших выстрелах мощность излучения из внутренней полости превышает мощность излучения снаружи, что говорит о частичном запирании излучения в полости внутреннего лайнера. Этот же вывод следует и из сравнения формы сигналов ВРД за одинаковыми фильтрами в осевом и радиальном направлении. Провал между импульсами излучения, соответствующими удару и первому сжатию на оси, значительно меньше выражен для осевого направления, чем для радиального, или совсем отсутствует, особенно в наиболее мягких каналах. Данный факт находится в согласии с теоретической моделью.

Таким образом, показана работоспособность каскадной схемы обострения мощности, несмотря на развивающиеся неустойчивости, которые снижают ее эффективность. Экспериментальные результаты в целом не противоречат теоретической модели.

После удара на оси образуется пинч диаметром 0.7-1.5мм, т.е. достигается сжатие в 20-40 раз. Плотноть мощности излучения

может превышать 10ТВт/смг. Такой источник мягкого рентгеновского излучения является перспективным. Мощность и энергия его излучения значительно выше, чем для других нагрузок генератора "Ангара-5-1".

Четвертая глава посвящена исследованию динамики плазмы и магнитных полей в короне г-пинча с начальной плотностью ~1г/см3 ("холодный старт").

Нагрузкой генератора служил цилиндр из плотного полиэтилена (в том числе дейтерированного) диаметром 2-4мм и высотой Бмм, зажатый в конусных держателях из А1, а также из пеноподойного вещества с плотностью ~10мг/см3 с погонной массой ЗООмкг/см. В части выстрелов полиэтиленовый цилиндр на середине высоты имел перетяжку диаметром <200мкм.

Показано, что в г-пинче с твердотельной начальной плотностью и с "холодным стартом" после пробоя наблюдается выброс относительно редких струй плазмы в радиальном направлении со скоростью 0.)-0.2мм/нс, формирующих затем сильно неоднородную корону гогача большого размера. Выброс наблюдается сначала из А1 держателей нагрузки, а затем (через ~30нс, при токе <0.5МА и напряжении ~200кВ) из полиэтиленового цилиндра.

При токе, близком к максимальному (~ЗМА), формируется перетяжка диаметром в несколько миллиметров по уровню п "3-5'Ю1 ®см_э.

<3

В случае пенного цилиндра разлет плазмы идет с заметно меньшей скоростью (<0.1мм/нс). Можно отметить несколько меньшую неоднородность и размер периферии пинча в этом случае.

При помощи фарадеевской методики измерения распределения магнитных полей было изучена ышяние короны на токораспределенме в этом пинче.

Получены распределения п и среднего вдоль луча зрения магнитного поля в двух сечениях короны пинча в области перетяжки, формирующейся при ее сжатии в момент, близкий к максимуму тока. Поле плавно спадает от центра к периферии от 1.75МГС до 0.85МГс, а на границе плазменного образования резко возрастает до ~5.5МГс. Аналогично ведет себя поле во втором сечении.

Пространственное распределение магнитного поля отвечает току 2.5-2.8МА внутри радиуса 2.5мм, скин-слою 0.2-0.4мм. Датчики полного тока показывают около ЗМА в этот момент. Вблизи границы короны пинча существуют токи 310-340кА для первого и 450-500кА для второго сечений, причем их направление обратно основному. Эти

зриферийные токи должны быть замкнуты в плазме и не вносят клада в ток, измеренный датчиками полного тока на диаметре 10мм.

В связи' с тем, что в эксперименте не было возможности змерить не связанную с фарадеевским вращением деполяризацию злучения в плазме, проведен подробный анализ возможных ошибок з-за такой деполяризации. Показано, что поворот плоскости оляризации на градиентах плотности, температуры, скорости, из-за ффекта Коттона-Мутона в нашем случае всегда суммарно был <1% от арадеевского. Это связано с измерениями при п ~101асм~3<<п , де п =2 -10г 1 см-3 - критическая электронная плотность для =694нм, и относительно большими размерами плазменного бразования (3-10мм). Эти аффекты бывают существенными в лазерной лазме, где характерный масштаб много меньше, плотности больше, а амо магнитное поле порождается градиентами Т и п , а не током ерез нагрузку генератора.

Пятая глава посвящена исследованию концентрации тока омпозитного Z-пинча по измерениям мощности мягкого ©нтгеновского излучения в диапазоне 0.1-2кэВ и размеров [злучателя.

Композитный пинч был предложен П.Чоем и Б.Этлишером как :редство решения проблемы "холодного старта". Введение газовой »болонки, окружающей центральную нагрузку - тонкую твердотельную шть, позволяет лучше согласовать нагрузку с генератором и этим 'величить ток. Отсутствие заметного тока через нить вплоть до жатия газовой оболочки предотвращает неоднородное разбрасывание >е вещества на начальной стадии. Авторы этой схемы надеялись (обиться передачи мегаамперного тока в еще однородный файбер из 'азовой оболочки за время наносекундного масштаба.

Измерения мягкого рентгеновского излучения использовались У1я анализа сжатого состояния плазмы композитного Z-пинча. 1рименялись коллимированные на центральную часть пинча ВРД и зентгеновская развертка СХР-3.

Получены мощные (до 0.8ТВт/см) пики мягкого рентгеновского 1злучения с фронтом около 1нс и длительностью до 2нс при времени врастания тока 70-90нс. Общая длительность мягкого рентгеновского излучения 20-25нс. Zipper-эффект из-за простой сонической формы сопла удлинял импульс еще на 5-1Онс. 1лительность излучения несколько превышала время существования зжатой фазы пинча. Излучение было наиболее мощным в случае

близких погонных масс файбера и газовой струи (20-40мкг/см).

В случав Хе струи, особенно с Р<1 покрытием файбера, наблюдались радиальные осцилляции пинча с периодом 5-8нс, сопровождавшиеся вспышками рентгеновского излучения с длительностью ~2нс и фронтом ~1нс. По-видимому, это объясняется большим а* (~50нс для обмена энергией на стадии сжатия) в этом случае. Для Хе из-за меньшей чем у Аг ионной плотности при той же погоной массе энергия на ион достигает 100-150кэВ. Электроны быстрее сбрасывают свою энергию в излучение, так что Т»Т . Поэтому ионы не успевают отдать свою энергию за одно сжатие. В случае же Аг сжатие одно.

Спектральный максимум излучения приходится для Хе на 0.4-0.7кэВ, для Аг "0.3-0.6кэВ и 1-2кэВ. Излучение с Аг струей жестче, фронты импульсов излучения длиннее (~5нс), что говорит о большей электронной температуре Т . В случае аргоновой газовой шубы мощность излучения заметно меньше (~0.3ТВт/см), чем в случав Хе (~0.7ТВт/см). Мощность излучения с дейтериевой струей была низкой (~0.1ТВт/см) из-за отсутствия сильно излучающего вещества.

'Излучение в случае Аг струи с добавкой Хе (~0.1п ) обусловлено Хе, а передача энергии от ионов электронам аргоном (отсутствовали осцилляции). Покрытие файбера Рй (вещество с большой излучательной способностью) делало излучение более похожим на случай Хе струи. Мощность возрастала, излучение становилось более мягким.

Применение различных покрытий файбера показало, что на излучение влияет лишь его верхний (~0.5-1мкм) слой. Видимо именно он испаряется под действием излучения токовой оболочки до ее столкновения с испаренной с файбера плазмой, в которую и происходит проникновение тока.

Пинч сжимался до диаметра сГ1.5мм в случае Хе газовой оболочки и до й~0.6мм в случае Аг.

Кинетическая энергия столь легкой оболочки (менее 1-5кДк) существенно меньше полной излученной энергии (~30кДж). Т.е. большая часть радиационных потерь должна быть обусловлена джоулевым нагревом Потери за счет электронной

теплопроводности V ~ 1-ЮГВт « (У . Тогда можно записать

%йг

И =1» - -х И „ ,

н 1 АО'

«

где 1г - высота пинча, J - плотность тока. В случае спитцеровской проводимости о получим для тока пинча

т

<3

100eV

W ГТВт] 14 н____

I[МАЗ = 0.56^d.ö-öa)lMM] •.

h [ см ]

где ö - толщина скин слоя. В нашем случае это дает 1=0.2-0.5МА при Т ~200эВ.

Таким образом, существенная доля тока сжата до диаметра ~1мм. Косвенным подтверждением этого служит и сильная зависимость производной тока dl/dt от радиуса токовой оболочки, dl/dt имеет глубокий минимум во время существования сжатой фазы пинча и импульса мягкого рентгеновского излучения.

В интегральных по времени спектроскопических измерениях получалось Т ~600эВ, однако такую температуру имеет малая доля вещества. Это следует из измеренной мощности и спектрального распределения излучения, которые соответстуют температуре основной доли вещества ~200эВ (согласно расчетам М.В.Федулова).

В заключении приведены основные результаты работы:

1.Исследована динамика сжатия внешней газовой оболочки каскадного лайнера при уровне тока через него 3-4МА с временем нарастания 70-100нс и возникающие при этом неустойчивости.

Впервые изучена филаментация такого лайнера. При этом найдено, что, в отличие от плазменных фокусов, филаментация не может быть объяснена радиационной неустойчивостью. Показано, экспериментальные данные могут быть объяснены неустойчивостью •неизотермической плазмы.

В некоторых случаях, чаще при малых массах, наблюдалось расслоение газового лайнера . При этом к оси ускоряется небольшая часть его массы (10-30Ж) со скоростью более 108см/с.

Экспериментально оптимизирована погонная масса Хе оболочки для токов ~ЗМА.

2.В каскадном лайнере измерена мощность излучения. Для тока 3-3.5МА получены значения плотности мощности излучения снаружи и изнутри полости до 1-1.5ТВт/сма интегрально по об'екту и 1.5-2.5ТВт/сма локально. В лучших выстрелах мощность излучения из внутренней полости превышает мощность излучения снаружи. Энергия в импульсе мягкого рентгеновского излучения, соответствующем удару, достигает 3-6кДж за 5-7нс в полости лайнера, что в ~3 раза меньше расчетного значения.

Исследованы спектральные особенности излучения в диапазоне 0.1-2кэВ с временным разрешением ~0.5нс и сделан вывод о его отличии от чернотельного. Максимум излучения лежит в диапазоне

200-300эВ, при 1т/>0.бкэВ имеется заметный подъем относительно планковской формы спектра.

Показано, что развивающиеся неустойчивости растягивают длительность вспышки излучения, соответствующей удару, до ~5нс, а фронт до 3-4нс. Однако локально по пространству длительность вспышки мягкого рентгеновского излучения близка к теоретической модели и составляла 1-2нс.

Несмотря на значительную прозрачность ксеноновой оболочки для - излучения каскадного лайнера, наблюдается эффект частичного запирания излучения в его внутренней полости, что находится в согласии с теоретической моделью.

Сделан вывод о работоспособности каскадной схемы обострения мощности несмотря на" развивающиеся неустойчивости, уменьшающие эффективность преобразования энергии. Экспериментальные результаты в целом не противоречат теоретической модели несмотря на некоторые количественные расхождения.

После удара на оси образуется пинч диаметром около 1мм с плотнотью мощности излучения свыше 10ТВт/смг, который является перспективным источником мягкого рентгеновского излучения высокой мощности. Полная мощность и энергия его излучения являются наивысшими в экспериментах на установке "Ангара-5-1

3.Исследована динамика внешней короны г-пинча, образованного мультимегаамперным разрядом с характерным временем ~10~7с через твердотельную нагрузку. Показано, что на стадии пробоя образуются струи плазмы, движущиеся в радиальном направлении от нагрузки со скоростью ~0.(мм/нс и образующие затем пространственно неоднородную корону из малоплогной плазмы.

Впервые методом фарадеевского вращения измерены распределения магнитных полей в короне такого г-пинча и показано, что плазма короны способна перехватить на себя заметную долю тока, что приводит затем к сильно неоднородному ее сжатию. При этом в короне г-пинча измерены локальные магнитные поля в (5.6±3)МГс. Основная доля тока течет в приосевой области диаметром <2.5мм..

4.В композитном г-линче впервые исследованы мягкое рентгеновское излучение и размеры излучателя в диапазс -0.1-2.5кэВ при.уровне тока 2-ЗМА. Измерены временные зависимости полной мощности излучения и средней энергии кванта, размера излучателя, обнаружены его быстрые (5-1Онс) осцилляции при наличии вещества с большим атомным номером.

При времени нарастания тока ~90нс получены импульсы мягкого ентгеновского излучения с фронтом около )нс.

Из баланса энергии оценен ток через пинч ("0.2-0.5МА внутри щдиуса г~0.5мм). Сделан вывод о высокой эффективности передачи ющности из внешней оболочки лишь в плазму испаренного тонкого говерхностного слоя центральной нити и о существенном фоникновении тока только в эту часть ее вещества до перього :жатия.

5.Измерениями показано, что сильно излучающие многослойные системы, такие как каскадный лайнер, способны увеличить соэф$ициент сжатия R0/RriI Д° 30-50 даже без применения внешнего продольного магнитного поля.

6.Создан многоканальный комплекс на основе вакуумных рентге-ювских фотодиодов и рентгеновского хронографа СХР-3, способный надежно измерять полную мощность излучения и пространственные размеры излучателя в диапазоне 0.1-2.5кэВ с временным разрешением 3.5нс на установке с большим уровнем электрических помех. Развиты летодики и программы расчета мощности и спектральных характеристик излучения по данным ВРД. Создан ВРД с относительно равномерным откликом в диапазоне 0.15-1кэВ, позволяющий измерять мощность излучения одним датчиком.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Браницкий A.B., Вихарев В.Д., Захаров C.B., Касимов А.Г., . Смирнов В.П., Царфин В.Я. Исследование начальной стадии

формирования токовой оболочки на установке "Ангара-Г> -1". Препринт ИАЭ-5244/7, М., 1990.

2. Браницкий A.B.-, Вихарев В.Д., Касимов А.Г., Рупасоп Л.Л., Саркисов Г.С., Смирнов В.П., Царфин В.Я., Шиканов A.A. Измерение магнитных полей методом Фарадея в сильноточных разрядах на установке"Ангарэ-5-1 ". Препр.ИАЭ-51б7Л' м.. i - ■ .

3. Браницкий A.B., Вихарев В.Д., Касимов А.Г., Смирном Ь.П., Царфин В.Я., Рупасов A.A., Саркисов Г.С., Шиканов A.A. Измерение магнитных полей методом фарадеевского вращения плоскости поляризации на установке "АНГАРА-5^1 ". Труды v совещ. по диагностике высокотемпературной плазмы. Минск, 1 у'•"> .

4. A.V.Batjunin, Z.N.Bulatov, A.V.Branitskii, I.N.Frolov, E.V.Grabovskii, A.G.Kasimov, S.P.Medovschikov, G.S.VolKov, V.O.Mishenskii, S.L.Nedoseev, L.B.Nikandrov, G.S.Sarkif.ov, V.P.Smirnov, S.V.TroÎlmov, V.Y.Tsarfin, E.G.Utjugov.

Plasmadynamics effects in magnetically ieolated Byetems. Pron. of 8-th inter, coni. on high-power partiole beams (Beams'90). Novosibirsk, 1990, v.2, р.1091-Ю9б.

5. A.V.Branitskii, V.D.Vikharev, E.V.Grabovskii, S.V.Zakharov,

A.G.Kasimov, D.y.Kuznetsov, A.N.Omelohenko, V.P.Smirnov, T.N.Frolov and V.Ja.Tsarfin.:

Shell oollision investigation on "Angara-5-1" pulse generator. Proo. of 8-th inter, conf. on high-power partiole beams (Beams'90). Novosibirsk, 1990, v.1, p.437-442

6. Браницкий А.В., Вихарев В.Д., Захаров С.В., Касимов А.Г., Смирнов в.П., Царфин В.Я. . Изучение начальной стадии сжатия лайнера на установке "Ангара-5-1". Физика плазмы, 1991.

т.17,вып.5, с.531-541.

7. Браницкий А.В., Вихарев В.Д., Касимов А.Г., Рупасов А.А., Саркисов Г.С., Смирнов В.П., Царфин В.Я., Шиканов А.А. Диагностика магнитных полей по эффекту Фараде я в сильноточных разрядах на установке "Ангара-5-1". Физика плазмы, 1992,

Т.18,вып.2, С.245-248.

8. Браницкий А.В., Вихарев В.Д., Касимов А.Г., Недосеев С.Л., Рупасов А.А., Саркисов Г.С., Смирнов В.П., Царфин В.Я,., Шиканов А.А. Регистрация магнитных полей в сильноточном z-пинче на установке "Ангара-5-1" методом фарадеевского вращения Физика плазмы, 1992, т.18, вып.9, с.1131-113.

9. A.N.Batunin, A.V.Branitsky, I.N.Frolov, E.V.Grabovsky,

V.a.Kornilo, D.V.Kuznetsov, A.G.Lisitsyn, S.F.Medovsohikov, V.O.Miahensky, A.R.Mingaleev, S.L.Nedoseev, L.B.Nikandrov, V.M.Romanova , T.A.Shelkovenko, V.P.Smirnov, A.N.Starostin, S.V.Trofimov, G.M.Olejnik, G.S.Volkov, E.G.Utjugov,

B.V.Zakharov. Inhomogeneous Z-pinch investigation on "Angara-5-1". Proo. of III internat. oonf. on high density 7,-pinches, London, April 1993.

10. A.N.Batunin, A.V.Branitsky, M.V.Fedulov, I.N.Frolov, К.V.Grabovsky, D.V.Kuznetsov, S.F.Medovsohikov, V.O.Mishensky, S.L.Nedoseev, V.E.Piohugin, V.P.Smirnov, P.Y.Sasorov, S.V.Trofimov, G.M.Olejnik, G.S.Volkov, V.I.Zaitsev, S.V,Zakharov, M.V.Zurin. Program "Angara" - physios of •superfast magnetio implosion of liners and Z-pinohes for ICF and related purposes. Int.Conf. on Plasma Physios and Controlled Nuclear Fusion Research. Exteded synopses, p.156 (report B-P-6). Sevillie, Spain, 26.09-01.10.1994.