Экспериментальное исследование динамики плазменной оболочки в Z-пинчах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

рт в ^

Ч 1 квг «33

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи УДК 533.952

МОКЕЕВ Александр Николаевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПЛАЗМЕННОЙ ОБОЛОЧКИ В г-ПИНЧАХ

Специальность: 01.04.08 - физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1998

Работа выполнена в Институте ядерного синтеза Российского научного центра «Курчатовский институт»

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

Филиппов Н.В.

кандидат физико-математических наук, Прут В.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Демидов Б.А.

кандидат физико-математических наук, Недосеев С. Л.

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ

Защита состоится «_» _ 1998 г. в_ часов на

заседании Специализированного совета Д-034.04.01 по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу при Российском научном центре «Курчатовский институт» по адресу: 123182, Москва, пл. Курчатова, тел. 196-92-51.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский институт».

Автореферат разослан «_»_1998 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат физ.-мат. наук * л - л Л.И. Елизаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

Повышенный интерес к исследованиям в области физики плотной, высокотемпературной плазмы в значительной мере обусловлен перспективой осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС). Эта проблема привела к возникновению различных направлений исследований, отличающихся друг от друга методами нагрева и удержания плазмы. В настоящее время основное внимание уделяется термоядерным системам с магнитным удержанием плазмы (токамак, стелларатор), а также системам с инерционным удержанием, в которых для инициирования термоядерной реакции используются мощное лазерное излучение или электронные пучки.

Наряду с общепризнанными направлениями

продолжают развиваться и альтернативные подходы, имеющие определенные преимущества. Одной из альтернативных систем являются различные установки типа г-пинч, в которых образуется плотная (N5 > 1019 см"3) высокотемпературная (Т > 1 кэВ) плазма. Физика г-пинчей изучает один из самых фундаментальных объектов физики нестационарной плазмы. Наряду с термоядерной направленностью, г-пинч рассматривается (и уже частично используется) в качестве наиболее перспективного мощного импульсного источника нейтронного, ультрафиолетового, мягкого и жесткого рентгеновского, а также инфракрасного, субмиллиметрового и сверхвысокочастотного излучений.

Установки типа плазменный фокус (ПФ) появились как альтернатива первым экспериментальным устройствам по формированию линейного г-пинча. По достигаемым удельным мощностям, концентрируемым в плазме, ПФ сравним с лазерным фокусом и сфокусированным релятивистским электронным

пучком, отличаясь от них простотой устройства и более высокой эффективностью использования начальной энергии. Так, по параметру «количество нейтронов на ) джоуль запасенной в конденсаторной батарее энергии» ПО6) ПФ занимает одно из первых мест среди термоядерных установок.

Актуальность изучения процессов в зоне контрагирования тока обусловлена тем, что излучательные характеристики г-пиича существенным образом зависят от формы токово-плазменной оболочки, скорости ее сжатия, типа кумуляции, величины тока и скорости его нарастания и т. д. Крупнейшей в мире установкой плазменного фокуса является ПФ-3. В настоящее время на этой установке проводятся эксперименты по созданию мощного источника рентгеновского излучения. Поэтому стадия формирования пинча при работе на тяжелых сильноизлучающих газах (неон, аргон) с большим энерговкладом требует тщательного изучения. Исследования динамики токово-плазменной оболочки в оптическом диапазоне излучения с высоким пространственным 1 мм) и временным (~ 10 не) разрешением, которые позволяют наблюдать тонкую структуру плазменного объекта, при таком диапазоне параметров ранее не проводились. При этом фотографии в оптическом диапазоне являются наиболее информативными для исследования процессов схождения оболочки, формирования и разрушения пинча.

Многочисленные эксперименты показали, что ПФ-системы могут успешно работать в очень большом диапазоне энергий или токов через разрядную камеру - от 20 кА до 4 МА. Но, при увеличении энергии конденсаторной батареи свыше 1-3 МДж, существенно возрастают трудности по согласованию движения оболочки с разрядным контуром, особенно при работе на легких газах (например, на дейтерии).

Существуют два независимых условия согласования: одно - по индуктивности системы, другое - по размерам камеры и давлению газа в ней. Для получения максимума тока в момент наибольшего сжатия необходимо выполнить оба эти условия.

Условие по индуктивности выполняется при равенстве ндуктивностей нагрузки с уже образовавшимся фокусом и нешиего контура. Кроме этого, дл.ч согласования разряда с ¡сточником энергии необходимо, чтобы характерное время .вижения оболочки до выхода ее на ось совпадало с характерным ременем передачи всей энергии от источника. Однако ювышению давления выше 10 Topp препятствует возникающая асимметричность (стримерность) начального пробоя газа. 1оэтому размер основных конструктивных элементов установки положительного электрода и изолятора, приходится величивать с ростом энергии накопителя.

Следует отметить также, что с повышением энергии ткопителя существенно возрастает тепловая нагрузка на 13олятор, вследствие чего происходит поступление из изолятора ; камеру вещества, которое может служить причиной повторного фобоя межэлектродного промежутка. Повторный пробой >бычно происходит в районе изолятора и приводит либо к срыву фоцесса формирования пинча вообще, либо снижает его >миссионные характеристики.

Для ПФ характерно, что токовая оболочка имеет юронкообразную форму, допускающую вытекание из области максимальной плотности значительной части плазмы в процессе :е сжатия у оси. Этого можно добиться также путем 1рофилирования начальной плотности газа посредством шпульсного напуска газовой оболочки в рабочую камеру. При »том, для формирования равномерного по азимуту начального 1робоя необходима предварительная ионизация периферийной )бласти газовой оболочки.

Перечисленные выше про*, '¡м можно решить путем лерехода к разрядам в камере с одь> nur" 'нжекцией азовой оболочки и плазменного лайнера. b лом случае збеспечивается формирование симметричной токовой оболочки, 1ТО позволяет снять проблемы начальной стадии и шунтирования лриосевого тока. Основными преимуществами такой камеры шляются:

- возможность создания надежной защиты изолятора от излучения пинча при большой энергии батареи;

- возможность работы с высоким начальным давлением газа и плазмы, по-видимому, вплоть до эквивалентного давления р ~ 1 атм;

- возможность создания оптимального начального профиля плотности газа;

- возможность согласования разрядной камеры с конденсаторной батареей при энергиях свыше 3 МДж;

- равномерный по азимуту начальный пробой газа, который способствует повышению эффективности сгребания рабочего газа токовым поршнем и снимает проблему пробоя по остаточному газу;

- возможность использовать в качестве рабочего вещества практически любой диэлектрик;

- отсутствие проблем с выбором материала изолятора и его предварительной подготовки: для вывода камеры на режим не нужно проводить длительную серию тренировочных разрядов.

Цель работы

Целью настоящей работы являлось исследование и сравнительный анализ двух вариантов сильноточного нецилиндрического разряда с профилированием плотности плазмы по радиусу: 1) искусственное профилирование посредством импульсного напуска газа в разрядный промежуток; 2) самопрофилирование (за счет двумерности сжатия оболочки).

Основные задачи по первому направлению: а) разработка экспериментальных схем сильноточного разряда типа 7.-шшч с профилированием начальной плотности газа для повышения конечных параметров плазмы; 2) исследование степени влияния предионизации на динамику формирования токового слоя в газовой оболочке и конечные параметры сжатия плазмы;

3) создание аппаратуры, позволяющей проводить эксперименты с импульсным напуском газовой оболочки и плазменного лайнера.

По второму направлению: а) применение методики высокоскоростного оптического фотографирования для исследования динамики токово-плазменной оболочки плазменного фокуса; б) исследование влияния формы и параметров токово-плазменной оболочки на характеристики плазменного фокуса при разрядах в тяжелых силъноизлучающих газах (неон,аргон).

Научная иовнзпа

Разработана экспериментальная схема сильноточного разряда типа г-пинч с профилированием начальной плотности газа в которой впервые предложена система предионизации, основанная на использовании плазменного инжектора эрозионного типа.

Проведены исследования г-пинча с одновременной инжекцией газовой оболочки и плазменного лайнера. Показано, что инжекция плазменного лайнера приводит к существенному повышению стабильности разрядов.

Впервые проведено исследование динамики плазменной оболочки плазмофокусного разряда с сильноизлучающими газами при энергозапасе источника питания ~ 1 МДж в оптическом диапазоне излучения с высоким пространственным 1 мм) и временным (~ 10 не) разрешением.

Научная и практическая ценность работы

Полученные в работе результаты имеют важное значение для понимания целого ряда процессов, происходящих в импульсных сильноточных разрядах. Они могут быть использованы при разработке и создании мощных импульсных

источников ионизирующих излучений на базе г-пннча. Опыт, накопленный при создании экспериментальных установок и комплекса диагностического оборудования может быть использован при создании более современной аппаратуры для исследований в области физики высокотемпературной плазмы. Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы при создании теоретических моделей процесса сжатия токовой оболочки.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся:

1. Метод получения сильноточного разряда типа г-пинч с профилированием начальной плотности газа и системой предионизации, основанной на использовании плазменного инжектора эрозионного типа.

2. Экспериментальная аппаратура для проведения экспериментов по сжатию плазмы г-пинча с одновременной инжекцией газовой оболочки и плазменного лайнера.

3. Результаты исследования 2-пинча с одновременной инжекцией газовой оболочки и плазменного лайнера. Вывод о повышении стабильности разрядов при инжекции плазменного лайнера.

4. Диагностический комплекс пня исследования динамики плазменном обо" - , . .инческом диапазоне излучения с высоким ири^.,........^нным и временным разрешением.

5. Результаты исследования динамики плазменной оболочки плазменного фокуса в конечной стадии развития разряда в тяжелых сильноизлучающих газах при энергозапасе источника питания ~ 1 Мдж. Вывод о стабилизирующем воздействии первоначальной закрученности токовых волокон, на образование перетяжки и о последующем развитии неустойчивости с модой ш = I.

6. Экспериментальная установка (разрядная камера, схема синхронизации, конденсаторная батарея энергоемкостью 1,2 МДж), позволяющая проводить эксперименты по сжатию плазмы г-пинча с импульсным напуском при напряжении 40 кВ и токе 5 МЛ.

Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 12 печатных работах. Их список приведен в конце автореферата.

Основные результаты диссертации докладывались на 1 и 3-й Всесоюзных конференциях по импульсным источникам энергии (Юрмала, 1983 г.; Ленинград, 1989 г.), на 5 и 6-й Международных конференциях по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам (Новосибирск, 1989 г.; Альбукерк (США), 1992 г.), на 3-й Международной конференции по плотным г-пинчам (Лондон, 1993 г.), на Международной конференции по физике плазмы (Сан-Диего (США), 1997 г.), на XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1997 г.), на II Симпозиуме по текущим тенденциям в международных исследованиях по термоядерному синтезу (Вашингтон (США), 1997 г.), на Совещании по плазменному фокусу (Кудова Здрой (Польша), 1998 г.).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Основные выводы приводятся в конце каждой главы и в заключении. Диссертация изложена на 137 страницах и содержит 58 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дан краткий исторический обзор и описание основных г-пинчевых систем. Рассмотрены основные фазы разряда и особенности процессов в зоне кумуляции. Формулируется актуальность темы и цель диссертационной работы.

В нерпой главе описана экспериментальная установка, предназначенная для проведения экспериментов по сжатию г-пинча с импульсным напуском. Отличительная особенность установки - возможность одновременной инжекцни газовой оболочки и плазменного лайнера, что позволяет получить симметричный начальный пробой и исключить шунтирование тока в момент максимального сжатия плазмы.

В разделе 1.1. описан управляемый трехэлектродный разрядник под давлением, специально разработанный для данной установки. При модульном принципе построения быстродействующих емкостных накопителей необходимы разрядники с высокой стабильностью включения и достаточно большим ресурсом работы, способные коммутировать максимально возможные токи при различных уровнях энергии. Индуктивность разрядников в зависимости от числа модулей должна составлять 10 + 50 нГ. При заданной энергии накопителя увеличение числа модулей снижает требования к разрядникам, но повышает трудности их синхронизации. Оптимальная энергия модуля (обычно Ю + ЗО кДж) выбирается такой, чтобы разряд всех конденсаторов на один неисправный не приводил бы к его разрушению. Описываемый разрядник предназначен для коммутации тока модуля емкостного накопителя с рабочим напряжением 40 кВ, энергоемкостью 20 кДж и амплитудой тока на первом полупериоде 320 кА. Индуктивность разрядника с коаксиальной ошиновкой 25 пГ. При запасе электрической прочное! и 1,8 время задержки срабатывания 15 не, разброс

времени срабатывания ± 3 не. Испытания показали, что ресурс работы электродов и изолятора разрядника не менее ИУ1 включений. Ресурс работы разрядника существенно увеличивается при многоканальном пробое разрядного промежутка (при скорости нарастания напряжения на управляющем электроде > 1013 В/с).

В разделе 1.2. описаны основные элементы конденсаторной батареи. Батарея представляет собой колебательный контур, состоящий из четырех параллельно включенных модулей, каждый из которых состоит из четырех конденсаторов КМК-40-6 и трехэлектродного разрядника высокого давления. Параметры батареи: энергия 80 кДж, рабочее напряжение 40 кВ, емкость 100 мкФ, собственная индуктивность батареи 21 нГ, индуктивность нагрузки в начале разряда 7 нГ, при максимуме тока - 30 нГ, максимальная амплитуда тока в рабочем режиме 2 мА, время нарастания тока (Т/4) - 2,7 мкс.

В случае аварийного пробоя все модули оказываются разделенными индуктивным сопротивлением зарядной шины (Ь = 400 мкГ). Параллельно нагрузке включен защитный резистор КП1 = 8 Ом, шунтирующий газоразрядную камеру при заряде, экстренном разряде батареи и самопробое разрядников, когда разряд в камере не может произойти.

Разрядники запускаются от четырехканального генератора импульсом с амплитудой 50 кВ, длительностью 60 не, длительностью фронта по уровням 0,1 и 0,9 -1,5 не.

В разделе 1.3. приведено описание газоразрядной камеры. Камера изготовлена из нержавеющей стали и установлена непосредственно на коллекторе. Коллектор представляет собой два стальных диска толщиной 2 см и диаметрами 100 и 78 см, стянутых шестью стяжками и установленных на изоляторах, закрепленных на стойках модулей. Разрядный промежуток образован двумя плоскими электродами, расстояние между которыми можно менять от 0 до 4 см, обычно оно было 2,5 см. Диаметр катода 37 см, анода - 41 см. В стандартные отверстия в центре электродов вставляются смонтированные на фланцах

электродинамический клапан и инжектор плазмы эрозионного типа. Импульсный напуск газа в камеру снижает требования к изолятору, который изготовлен из листового полиэтилена толщиной 4 мм. Для защиты изолятора от излучения плазмы служат два металлических экрана, которые также шунтируют газоразрядный промежуток после разлета плазмы, предохраняя изолятор от разрушения.

Разделы 1.4.-1.5. посвящены описанию устройств импульсного напуска вещества в разрядный промежуток -электродинамического клапана и инжектора плазмы эрозионного типа.

Вторая глава посвящена исследованию динамики плазменной оболочки в г-пинче с импульсным напуском газа и плазменной оболочки.

В разделе 2.1. рассматриваются набор применявшихся диагностических методик - электротехнических, оптических, нейтронных, рентгеновских.

В разделе 2.2. описаны эксперименты по сжатию ъ-пинча с импульсным напуском. Использовались 3 варианта инжекции газа и плазмы в камеру. Первый состоит в следующем. На аноде устанавливался кольцевой электродинамический клапан с диаметром расположения впускных отверстий 5.4 см. Во втором варианте на аноде устанавливался клапан с диаметром впрыска 9 см, а на катоде плазменный инжектор эрозионного типа, плазма из которого по конусной щели поступала в камеру по диаметру 16 см. Плазма образовывалась в результате деструкции фторопласта-4 в камере инжектора длиной 7 см и диаметром 2 см. Количество частиц деструктированного фторопласта в инжекторе пропорционально энергии конденсаторной батареи инжектора, а количество поступивших в разрядную камеру частиц определяется задержкой запуска багарси, относительно включения инжектора, обычно ( ~ 20 -40 мкс. Третий вариант: плазменный инжектор устанавливался

непосредственно, без разводящих конусов, на катоде и плазма, образованная из дейтерированного полиэтилена, инжектировалась в камеру струей диаметром 2 см.

При инжекции только газ<!»-; оболочки, как правило, z-пинч получался азимутально-несимметричным с нестабильным нейтронным выходом. Для устранения этих недостатков использовалась такая организация разряда, при которой основную массу дейтерия напускает клапан, а инжектор по периферии инжектирует «поджигающую» плазму. Это значительно улучшило характеристики разряда - стабильность, воспроизводимость и симметрию токово-плазменной оболочки. Кроме того, это позволило проводить разряд при давлении, значительно большем 10 Topp. Рассматриваемый способ является довольно универсальным, поскольку позволяет не только инжектировать любые газы, но и любые элементы, входящие в состав твердых тел. Инжекция только плазмы с достаточной степенью ионизации дает наилучшую воспроизводимость и форму токово-плазменной оболочки на СФР-граммах. Максимальный нейтронный выход при токе в особенности 1 ~ 700 кА, составил Y = 3 109 нейтронов за импульс при инжекции только газа и Y = 2 109 при инжекции газа и плазмы. При инжекции плазмы дейтерированного полиэтилена нейтронный выход составил Y=3 108 при достигнутом токе I ~ 500 кА. Это объясняется тем, что основная часть массы сосредоточена в центре, а параметр согласования камеры и цепи зависит значительно сильнее от радиуса. Измерение камерой-обскурой показало, что размер пинча при энергии квантов Е > 1 кэВ ,1-6 мм, h ~ 1 мм.

В разделе 2.3. приводится сравнение полученных экспериментальных данных с численными расчетами.

В третьей глапе приведены результаты исследования динамики токово-плазменной оболочки на установке Г1Ф-3 в конечной стадии развития разряда п тяжелых газах (Ar, Ne). На протяжении длительного времени на ПФ-3 проводились работы,

цель которых - создание на базе нлазмофокусного разряда мощного источника мягкого рентгеновского излучения. Проводился широкий поиск режимов работы установки и выбор рабочего газа. Оптимизировалась геометрия центральной части анода и разрабатывались методики измерения спектральных характеристик мягкого рентгеновского излучения и определения его интегрального выхода.

Ток через пинч составлял величину около 3 МА. Длительность импульса рентгеновского излучения - до 250 не. На фотографиях пинча при разрядах в неоне, полученных камерой-обскурой без временного разрешения, пинч представляет из себя устойчивое образование (без ярко выраженных микроточек) высотой до 8 10 см, диаметром порядка 0,4 см. При разрядах в аргоне высота пинча существенно меньше ~ 4 см.

Раздел 3.1. содержит описание конструкции и схемы питания четырехканального наносекундного электронно-оптического регистратора, применявшегося для исследования динамики токово-плазменной оболочки. Данный регистратор позволяет получить четыре последовательных кадра излучения плазмы в видимой области при помощи четырех электронно-оптических преобразователей (ЭОП) с электростатической фокусировкой изображения типа ЭП-16. Изображение на фотопленке регистрируется оптически-контактным способом. Кадровый режим создается импульсным питанием от кабельного генератора на основе двойной формирующей линии (волновое сопротивление линии - 75 Ом). Формирующая линия заряжается до 10,7 кВ и коммутируется при помощи трехэлектродного управляемого разрядника в металлокерамическом корпусе РУ-62. Временные интервалы между кадрами (70 не) определяются длиной кабеля, соединяющего выход генератора и соответствующий ЭОП. Время экспозиции, одинаковое для всех четырех ЭОП, определяется длиной кабеля импульсного генератора.

В разделе 3.2. дается описание схемы эксперимента, приводятся параметры установки ПФ-3. Фотографирование производилось перпендикулярно оси камеры ПФ-3 с четырех противоположных сторон. Размеры изображения калибровались посредством импульсного фотографирования матрицы, составленной из миниатюрных ламп накаливания, которая помещалась на ось камеры ПФ-3. Нелинейность изображения по краю экрана не превышает 10 %. Диаметр исследуемой области 12 см. Исследуемый временной интервал - от -200 не до +450 не относительно момента начала рентгеновского излучения пинча. Интервал времени между началом первого и последнего кадра 210 не. Запуск регистратора производился от положительного фронта производной полного тока разряда.

Раздел 3.3 посвящен описанию экспериментов по исследования динамики токово-плазменной оболочки при разрядах в тяжелых силыюизлучающих газах в конечной стадии сжатия посредством высокоскоростного фотографирования. Получены серии фотографий (по 4 в каждой серии) токово-плазменной оболочки для разрядов в неоне и аргоне, синхронизованные по времени с производной полного тока разряда, импульсами жесткого и мягкого рентгеновского излучения. Полученные результаты показали, что при увеличении энергозапаса накопителя сохраняются основные параметры оболочки (высота, скорость, образование кумулятивной струи).

За 110 не до начала рентгеновского импульса оболочка имеет форму воронки с горловиной, обращенной к аноду. Высота оболочки в этот момент времени при разрядах в аргоне и неоне одинакова и составляет примерно 3 см. При этом нижняя часть оболочки уже не видна, т.к. она находится внутри конусообразного углубления в центре анода. Скорость оболочки перед началом кумуляции составляет -1,5 107 см/с. В момент времени 1=0, соответствующий началу импульса жесткого рентгеновского излучения, происходит схождение нижней части оболочки па оси камеры. П последующие момешы времени

происходит последовательная кумуляция оболочки по всей высоте со скоростью -2,5 107 см/с. При этом высота самой оболочки увеличивается со скоростью ~ 110' см/с.

После сжатия оболочки (в момент времени I ~ 100 не) вдоль оси камеры начинает истекать мощная плазменная кумулятивная струя со скоростью -2,5 107 см/с, которая инициирует ударную волну, направленную в сторону катода. При этом ясно видна тонкая структура строения пинча, которую, вероятно, можно объяснить появлением сложных магнитных конфигураций. После окончания рентгеновского импульса на свечении пинча появляются разрывы, и к моменту времени 1 — 350 не свечение пинча исчезает.

Обнаружена первоначальная закрученность токовых волокон, которая оказывает стабилизирующее воздействие на образование перетяжки, но в дальнейшем приводит к развитию неустойчивости с модой т =1, которая, наряду с неустойчивостью с модой ш = 0, приводит в дальнейшем, к разрушению пинча. Следует отметить, что если в неоновом пинче обе неустойчивости развиваются примерно одновременно (после полного схождения оболочки), то при разрядах в аргоне неустойчивость с модой т = 1 развивается до момента полного схождения оболочки, что объясняет существенно меньшую высоту аргонового пинча. Этим фактом, по-видимому, объясняется и отсутствие явно выраженной ударной волны после сжатия аргонового пинча. Таким образом, динамикой плазменной оболочки, ее формой определяются характеристики пинча в конечной стадии.

Четвертая_глава посвящена описанию

экспериментальной установки энергоемкостью 1,2 МДж, предназначенной для проведения экспериментов по сжатию плазмы г-пинча с импульсным напуском.

Раздел 4.1. содержит описание конденсаторной батареи. Батарея состоит из 60 независимых модулей по 20 кДж в каждом модуле. Конструкция модуля и разрядник прошли испытания при

проведении экспериментов на предыдущей установке. В случае аварийного пробоя все модули оказываются разделенными высоковольтными диодами, включенными в цепь зарядки каждого модуля. При зарядном напряжении 40 кВ амплитудное значение тока в нагрузке индуктивностью 55 нГ составило 5,7 МА при декременте затухания 0,5. Максимальный ток - 13 МА.

В разделе 4.2. описан генератор импульсов запуска. Генератор имеет 60 каналов и состоит из водяной формирующей линии длиной 1,5 м и волновым сопротивлением 1 Ом. Амплитуда импульса поджига - 50 кВ, длительность - 90 не. Также был изготовлен еще один генератор подобной конструкции с 75 выходными каналами. Он применяется для инициализации разряда по периферии газовой оболочки при проведении экспериментов без применения инжектора.

В разделе 4.3. дано описание разрядной камеры 2-пинча с газовым напуском, созданной на основе опыта эксплуатации предыдущей установки. Описаны электродинамический клапан и инжектор плазмы, производительность которых позволяет согласовать параметры движения оболочки с разрядным контуром.

В заключении приведены основные результаты и выводы диссертации:

1. Проведено исследование двух вариантов сильноточного нецилиндрического разряда с профилированием плотности плазмы по радиусу: с иск>. гвенным профилированием посредством импульсного нап>с1... шча в разрядный промежуток и с самопрофилированием (за счет двумерности сжатия оболочки). Проверено, что оба варианта успешно работают в исследованном диапазоне энергий накопителей. При этом вариант с самопрофилированием является существенно более простым в реализации, но при увеличении энергии источника питания свыше 1 — 3 МДж предпочтительной может оказаться схема с импульсным

напуском газа в разрядный промежуток за счет надежной защиты изолятора от излучения пинча, возможности работы с высоким начальным давлением газа и лучшего согласования разрядной камеры с накопителем энергии.

2. Для проведения экспериментов по сжатию плазмы г-пинча с импульсным напуском разработана и создана экспериментальная аппаратура, включающая в себя разрядную камеру, импульсный электродинамический клапан, инжектор плазмы эрозионного типа, систему синхронизации и диагностики, сильноточный (300 кА, 40 кВ) управляемый трехэлектродный разрядник, конденсаторную батарею энергоемкостью 80 кДж, рабочим напряжением 40 кВ, и максимальной амплитудой тока 2 МА.

3. Создана и экспериментально опробована новая система предионизации, основанная на инжекции плазменного лайнера на периферию газовой оболочки. Экспериментально показано преимущество данной схемы по сравнению с газовым напуском. Предварительная ионизация газа посредством инжекции плазмы приводит к формированию однородной токовой оболочки, что существенно повышает стабильность разрядов.

4. Показано, что профилирование начальной плотности газа посредством импульсного напуска позволяет получить плазму с высокими параметрами, о чем свидетельствует относительно высокий нейтронный выход (3109 н/имп. при I = 700 кА ), соответствующий скейлингу У ~ I4.

5. Разработан и изготовлен диагностический комплекс для исследования динамики плазменной оболочки в оптическом диапазоне излучения с высоким пространственным (~ 1 мм) и временным (~ 10 нс) разрешением.

6. Впервые для плазменного фокуса с плоской геометрией электродов и энергией конденсаторной батареи ~ 1 МДж проведены исследования динамики токово-плазменной оболочки при разрядах в тяжелых силыюизлучающих газах в конечной стадии сжатия посредством высокоскоростного

фотографирования. Показано, что при увеличении энергозапаса источника питания сохраняются основные параметры оболочки (высота, скорость, образование кумулятивной струи).

7. Обнаружено, что первоначальная закрученность токовых волокон, оказывает стабилизирующее воздействие на образование перетяжки, но в дальнейшем приводит к развитию неустойчивости с модой т =1. Показано, что динамикой плазменной оболочки, ее формой определяются характеристики пинча в конечной стадии.

8. По результатам проведенных исследований создана и испытана экспериментальная установка (разрядная камера, схема синхронизации, конденсаторная батарея энергоемкостью 1,2 МДж), позволяющая проводить эксперименты по сжатию плазмы г-пинча с импульсным напуском при напряжении 40 кВ и токе 5 МЛ.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Земсков А.И., Мокеев А.Н., Прут В.В. Сильноточный малогабаритный разрядник. - Тезисы докладов I Всесоюзной конференции по импульсным источникам энергии для физических и термоядерных исследований, Юрмала, 1983, с. 47.

2. Земсков А.И., Мокеев А.П., Прут В.В. Трехэлектродный разрядник под давлением на 40 кВ, 300 кА. - Препринт ИАЭ №3746/14, М.-1983, 7 с.

3. Земсков А.И., Мокеев А.П., Прут В.В. Трехэлектродный разрядник под давлением,- ПТЭ, 1984, №1, с. 133-135.

4. Мокеев А.П., Прут В.В. Z-пинч с импульсным напуском газа. - ПТЭ, 1986, №6, с. 153-156.

5. Мокеев А.Н., Прут В.В. Емкостной накопитель. - Тезисы докладов 111 Всесоюзной конференции по импульсным источникам энергии для физических и термоядерных исследований, Ленинград, 1989, с. 54.

6. Matveev V.V., Mokeev A.N., Prut V.V. Strong magnetic field in metallic and plasma z-pinches. - in: Megagauss fields and pulsed power systems (Proceedings of V Int. Conf. On Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics, Novosibirsk, 1989), Nova Science Publishers, New York, 1990, p. 73-79.

7. Мокеев A.H., Прут В.В. О нейтронном излучении z-пинча. -ЖТФ, 1991, т. 61, № 6, с. 17-24.

8. Mokeev A.N., Prut V.V. А 1.2 MJ capacitor bank for ultrahigh magnetic fields generation. - in: Megagauss fields and pulsed power systems (Proceedings of VI Int. Conf. On Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics, Albuquerque, 1992), Nova Science Publishers, New York, 1993, p. 88-93.

9. Mokeev A.N., Prut V.V. A powerful capacitor bank for dense z-pinch investigations. - in: AIP conference proceedings, vol. 299. Dense z-pinches (Proceedings of III Int. Conf. On Dense Z-pinches, London, U.K., 1993), AIP Press, New York, 1994, p. 690695.

10.Filippov N.V., Filippov A.N., Filippova Т.1., Karakin M.A., Krauz V.I., Mialton V.V., Mokeev A.N., NiKulin S.A., Tykshaev V.P. and Vinogradov V.P. Present Status of Plasma Focus Research at RRC «Kurchatov Institute». - IEEE Int. Conf. on Plasma Science, San Diego, California, USA, 1997, Abstracts, p. 200, 3E02-03.

П.Филиппов H.B., Виноградов В.П., Каракин М.А., Крауз В.И., Мокеев А.Н., Мялтон В.В., Никулин С.А., Тыкшаев В.П., Филиппов А.Н. Фит' Новое в физике Плазменного

Фокуса (Ось. | , ,_нтальных работ, выполненных в

РНЦ "КИ")- - Тезисы докладов XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 1997, с.8.

12.Мокеев А.Н., Мялтон В.В., Филиппов Н.В. Динамика плазменной оболочки на установке ПФ-3. - Препринт РНЦ «Курчатовский институт» № 6092/7, М. -1998.

^ /

N

е ) -г / /

А/ Л

/ /

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи

МОКЕЕВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПЛАЗМЕННОЙ ОБОЛОЧКИ В г-ПИНЧАХ

Специальность: 01.04.08 - физика и химия плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

доктор физико-математических наук

Н.В. Филиппов

кандидат физико-математических наук В.В. Прут

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................4

Иллюстрации.....................................................................................25

ГЛАВА 1. г-пинч С ИМПУЛЬСНЫМ НАПУСКОМ ГАЗА И

ПЛАЗМЕННОЙ ОБОЛОЧКИ..............................................................................26

1.1. Трехэлектродный разрядник под давлением............................26

1.2. Конденсаторная батарея.................................................30

1.3. Коллектор и газоразрядная камера.............................. . 32

1.4. Электродинамический клапан.............................................................34

1.5. Инжектор..........................................................................40

1.6. Выводы....................................................................................41

Иллюстрации....................................................................................................................................43

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПЛАЗМЕННОЙ

ОБОЛОЧКИ В г-ПИНЧЕ С ИМПУЛЬСНЫМ

НАПУСКОМ ГАЗА И ПЛАЗМЕННОЙ ОБОЛОЧКИ 53

2.1. Диагностические методы............................................................................................55

2.1.1. Электротехнические измерения......................................................................55

2.1.2. Оптические измерения....................................................................................................57

2.1.3. Регистрация нейтронного излучения...........................................57

2.1.4. Рентгеновские измерения............................................................................................58

2.2. Динамика разряда.................................................................59

2.3. Численные расчеты................................................................................................................62

2.6. Выводы.....................................................................................................................67

Иллюстрации.......................................................................68

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ТОКОВО-

ПЛАЗМЕННОЙ ОБОЛОЧКИ ПЛАЗМЕННОГО

ФОКУСА..................................................................................................................................................79

3.1. Конструкция электронно-оптического регистратора 80

3.2. Схема эксперимента.............................................................82

3.3. Динамика токово-плазменной оболочки..............................83

3.4. Выводы................................................................................89

Иллюстрации....................................................................................................................................91

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

ЭНЕРГОЕМКОСТЬЮ 1,2 МДЖ.......................................112

4.1. Конденсаторная батарея................................................................................................112

4.2. Генератор импульсов запуска.............................................114

4.3. Разрядная камера и системы напуска......................................115

4.4. Выводы...............................................................................119

Иллюстрации........................................................................120

Заключение.....................................................................................................................128

Литература..........................................................................130

ВВЕДЕНИЕ

Повышенный интерес к исследованиям в области физики плотной высокотемпературной плазмы в значительной мере обусловлен перспективой осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС). Эта проблема привела к возникновению различных направлений исследований, отличающихся друг от друга методами нагрева и удержания плазмы. В настоящее время основное внимание уделяется термоядерным системам с магнитным удержанием плазмы (токамак, стелларатор), а также системам с инерционным удержанием, в которых для инициирования термоядерной реакции используются мощное лазерное излучение или электронные пучки.

Наряду с общепризнанными направлениями продолжают развиваться и

альтернативные подходы, имеющие определенные преимущества. Одной из

альтернативных систем являются различные установки типа г-пинч, в

10

которых образуется плотная (ТЧе > 10 см") высокотемпературная (Т > 1 кэВ) плазма. Физика г-пинчей изучает один из самых фундаментальных объектов физики нестационарной плазмы. Наряду с термоядерной направленностью, г-пинч рассматривается (и уже частично используется) в качестве перспективного мощного импульсного источника нейтронного, ультрафиолетового, мягкого и жесткого рентгеновского, а также инфракрасного, субмиллиметрового и сверхвысокочастотного излучений.

Термин «пинч-эффект» означает сжатие плазмы собственным магнитным полем протекающего через плазму тока большой величины. 2-пинч представляет собой электрический разряд в газе, который сжимается под давлением магнитного поля, создаваемого разрядным током. Явление самосжатия разряда в газе изучается давно, однако интенсивное исследование этого явления было связано с идеей создания управляемой термоядерной реакции.

Экспериментальное изучение г-пинчей с целью решения проблемы У ТС было начато по инициативе И.В. Курчатова. В 50-х годах были опубликованы первые работы о нейтронном излучении из плазмы г-пинча, полученном в результате слияния ядер дейтерия [1-6].

Схема получения г-пинча, являющегося источником нейтронного излучения, в принципе довольно проста. Через разрядную камеру, заполненную дейтерием с давлением порядка 0,1-1 Тор, пропускается короткий импульс тока с амплитудой более 105 А, и в некоторый момент времени наблюдается вспышка нейтронного излучения.

Первоначальная идея создания термоядерной плазмы в таких установках основывалась на следующих элементарных предположениях [1]. Во время прохождения тока должно происходить сжатие плазмы под действием электродинамических сил. Если под действием электродинамического сжатия образуется плазменный шнур, оторванный от стенки камеры, то температура плазмы в шнуре может быть оценена из

В2

условия радиального равновесия сил магнитного давления — и давления

8л:

плазмы Р. Если электроны и ионы имеют одинаковую температуру Т, то для водородной плазмы суммарное давление Р = 2пТ, где п = п« = П; - плотность

плазмы. Магнитное поле на границе шнура В = — определяется током I и

радиусом шнура а (с - скорость света). Отсюда видно, что при наличии

В2

радиального равновесия Р = —-, температура плазмы в г-пинче определяется

ож

_ I2 -ХТ 2

выражением: Т ~ 2, где N = та п - число ионов на единицу длины пинча

(«погонное число» ионов). В работе [7] было показано, что это соотношение справедливо при любой зависимости плотности тока от радиуса внутри плазменного шнура.

Установки типа плазменный фокус (ПФ) появились как альтернатива первым экспериментальным устройствам по формированию линейного

г-пинча. Рис. 1 иллюстрирует эволюцию разрядных камер г-пинчевых установок. Считалось, что повышению параметров плазмы в г-пинче мешает загрязнение плазмы примесями, поступающими со стенок керамической камеры, и катастрофическое развитие неустойчивостей, характерных для длинного тонкого проводника с током. Нагрев и испарение боковой стенки связывали с нагревом поверхности излучением высокотемпературной зоны г-пинча [8].

Значительную роль в динамике г-пинча играют вторичные пробои вдоль изолятора. Эти пробои уменьшают ток в центре камеры и тем самым препятствует созданию высокотемпературной плазмы в пинче. Для того, чтобы воспрепятствовать вторичным пробоям Л.А. Арцимовичем была предложена разрядная камера, в которой поверхность изолятора защищена от прямого воздействия излучения из плазмы. Сама разрядная камера была сделана металлической а электроды вводились в камеру через изоляторы (рис. 1,6). Такое усовершенствование значительно помогло сосредоточению тока в центре камеры и увеличило нейтронное излучение из пинча. Однако, разряд развивался не между введенными симметрично в камеру электродами (катодом и анодом), а только в прианодной области - между дном и боковой стенкой камеры, находящимися под потенциалом катода, с одной стороны, и анодом (центральным электродом), с другой. Собственно катод в формировании пинча не участвовал и в последующих конструкциях камер плазменного фокуса (ПФ) он был просто исключен (рис. 1,в). При такой геометрии разрядной камеры возникают условия для формирования вблизи анода нецилиндрического г-пинча - плотного горячего плазменного образования, являющегося интенсивным источником нейтронного и рентгеновского излучений [8-10]. Подобные устройства получили название плазменный фокус типа Филиппова. Разница в роли анода и катода объясняется условиями развития газового разряда - формирование симметричного по азимуту токового слоя происходит только в пространстве

у поверхности изолятора между кромкой анода и дном камеры.

Несколько позже, при исследованиях другой разновидности сильноточных импульсных систем - электродинамических коаксиальных плазменных ускорителей в режиме высоких плотностей и больших разрядных токов Дж. Мейзером (США) было обнаружено [11,12], что в случае положительной полярности внутреннего электрода в них также формируется плотный ПФ с параметрами, аналогичными получаемым в системах типа Филиппова. Эти системы в дальнейшем стали называться плазменным фокусом типа Мейзера (рис. 1,г).

В последующие годы экспериментальные [10, 12, 13-21] и теоретические [22-30] исследования ПФ интенсивно развивались во многих ведущих лабораториях мира.

Разряд в г-пинче проходит в своем развитии несколько стадий. Каждая из стадий характеризуется определенными доминирующими процессами. Как правило, в динамике г-пинча различают три основные стадии: начальную, среднюю и конечную.

Под начальной стадией подразумевается пробой газа и формирование токовой оболочки. Основными процессами, определяющими начальную стадию, являются: ионизация газа в электрическом поле, диффузия электронов и скинирование тока. В начальный момент времени после приложения внешнего напряжения к электродам г-пинча происходит лавинообразное нарастание плотности электронов в межэлектродном промежутке. Уже на этой стадии развиваются сильные неоднородности в степени ионизации газа. После пробоя газа быстро повышается проводимость газа, и электрический ток скинируется около изолирующей

и тч о

поверхности разрядной камеры. В результате около изолирующеи стенки формируется токовая оболочка г-пинча. Образование токовой оболочки определяется диффузией электрического поля в глубь плазмы при быстром росте ионизации газа. В ходе создания токовой оболочки неоднородности

плотности, получившиеся при пробое, с одной стороны, усиливаются в результате ступенчатой ионизации газа, а с другой - выравниваются из-за диффузии электронов и диффузии электрического поля. В результате всех этих процессов образуется токовая оболочка, состоящая из отдельных токовых каналов - волокон, протянувшихся около изолятора между электродами камеры. При дальнейшем возрастании тока вступают в действие силы давления магнитного поля. Этим силам в первую очередь противостоит инерция газа. Электроны и ионы под действием электромагнитных сил приобретают скорость в направлении от изолятора внутрь камеры. Нейтральные частицы - атомы и молекулы - увлекаются ионами посредством столкновений и перезарядки, и токовая оболочка начинает двигаться к оси системы. При своем движении она «сгребает» газ в камере, увлекая его с собой, и тем самым создается плотная плазменная оболочка, которая ограничена сзади (снаружи) скицированным токовым слоем, толкающим оболочку, а спереди - ударной волной, распространяющейся по невозмущенному газу. В процессе движения оболочки выраженность волокнистой структуры постепенно ослабевает, но, в то же время, в ней появляется радиальная структура тока. Это проявляется в том, что часть тока успевает продиффундировать в область невозмущенного газа, и там образуется второй слой тока, движущийся перед фронтом ударной волны.

Средняя стадия г-пинча характеризуется дальнейшим развитием оболочки г-пинча и ее движением под действием давления собственного магнитного поля. Средняя стадия начинается отрывом плазменной оболочки от изолятора. На этой стадии происходит ударный нагрев плазмы до нескольких сот электронвольт, а также существенное повышение плотности газа. Оканчивается она схождением оболочки на оси и образованием сплошного плазменного столба.

В конечной стадии разряда происходит дальнейшее повышение температуры и плотности в плазменном столбе. В нецилиндрическом

г-пинче количество частиц в сечении плазменного фокуса уменьшается вследствие вытекания плазмы через торцы плазменного столба и из-за ухода плазмы в радиальном направлении, возникающего из-за развития МГД-неустойчивостей. Уменьшение количества частиц в сечении столба приводит к его сжатию и повышению плотности и температуры плазмы. Температура в фокусе благодаря вытеканию частиц достигает величин в несколько килоэлектронвольт, а плотность плазмы в нем достигает значения в сотни раз превосходящего начальную плотность газа. В конечной стадии нецилиндрического г-пинча (в стадии плотного г-пинча) с удовлетворительной точностью соблюдается условие равновесия плазменного столба, и происходит нагрев плазмы при уменьшении ее объема (адиабатическое сжатие) за счет работы магнитного сжатия. Температура плазмы в фокусе становится достаточно высокой для интенсивного протекания в ней термоядерных реакций, и фокус становится мощным источником нейтронного излучения.

Разрушение плазменного фокуса происходит в основном из-за турбулентного нагрева плазмы. В момент, когда количество частиц в сечении плазменного фокуса становится очень малым - меньше 5-1016 см"1 , токовая скорость электронов превосходит тепловые скорости ионов дейтерия, и в плазме развиваются мелкомасштабные неустойчивости поперечного тока (текущего перпендикулярно к магнитному полю). Нелинейное развитие этих неустойчивостей приводит к значительному повышению сопротивления плазменного шнура. В результате аномально большого тепловыделения давление плазмы не уравновешивается давлением магнитного поля, и происходит расширение плазменного столба, при этом из-за уменьшения плотности плазмы прекращается нейтронное излучение.

Одним из наиболее привлекательных свойств ПФ-систем является интенсификация излучений с ростом энергозапаса источника питания - \У. В частности, в исследованном в различных лабораториях мира диапазоне

энергий от единиц до сотен килоджоулей, наблюдается квадратичный скейлинг по нейтронному выходу N ~ W [31]. В качестве «реперной» точки обычно используется величина N = 10й D-D нейтронов при W = 100 кДж. Оценки показывают, что даже без принятия специальных мер, улучшающих эффективность работы ПФ-систем, имеется принципиальная возможность получения равенства вкладываемой и выделяемой энергии при W = 300 МДж для D-T рабочей смеси. В ряде работ [32-35] указываются значительно более низкие значения энергии в десятки мегаджоулей.

По достигаемым удельным мощностям, концентрируемым в плазме, ПФ сравним с лазерным фокусом и сфокусированным релятивистским электронным пучком, отличаясь от них простотой устройства и более высокой эффективностью использования начальной энергии. Так, по

u i о ч~>

параметру «количество нейтронов на 1 джоуль запасенной в конденсаторной батарее энергии» (~ 1-Ю6) ПФ занимает одно из первых мест среди термоядерных установок.

Актуальность изучения процессов в зоне контрагирования тока обусловлена тем, что излучательные характеристики z-пинча существенным образом зависят от формы токово-плазменной оболочки (ТПО), скорости ее сжатия, типа кумуляции, величины тока и скорости его нарастания и т.д. Необходимо отметить, что кумуляция ТПО является следствием нецилиндричности (двумерности) токового слоя (задаваемой геометрией разрядной камеры). Двумерность, а с учетом волокнистой структуры ТПО трехмерность явления, определяют основную сложность описания и построения физических моделей ПФ. При этом наиболее трудной для описания является конечная стадия развития разряда - стадия кумуляции на оси.

Крупнейшей в мире установкой плазменного фокуса является ПФ-3. В настоящее время на этой установке проводятся эксперименты по созданию мощного источника рентгеновского излучения. Поэтому стадия

формирования пинча при работе на тяжелых сильноизлучающих газах (неон, аргон) с большим энерговкладом требует тщательного изучения. Исследования динамики токово-плазменной оболочки в оптическом диапазоне излучения с высоким пространственным (~ 1 мм) и временным (~ 10 не) разрешением, которые позволяют наблюдать тонкую структуру плазменного объекта, при таком диапазоне параметров ранее не проводились. При этом фотографии в оптическом диапазоне являются наиболее информативными для исследования процессов схождения оболочки, формирования и разрушения пинча.

Многочисленные эксперименты показали, что ПФ-системы мо