Электрический взрыв проводников в сильном продольноммагнитном поле как источник горячей металлической плазмы высокой плотности. тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи

РГб од

Адамьян Юрий Эдуардович I 7 ДПР 2000

Электрический взрыв проводников в сильном продольном магнитном поле как источник горячей металлической плазмы высокой плотности.

01.04.13 - Электрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на кафедре «Инженерная электрофизика и техника высоких напряжений» Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Г.А.Шнеерсон

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова Официальные оппоненты:

доктор технических наук Фридман Б. И.

кандидат физико-математических наук Сергеев В.Ю.

Защита диссертации состоится «£8 ■ в _

На заседании диссертационного совета №К063.38.21 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете

(195251, С.-Петербург, ул. Политехническая, 29)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан «23» 2000г.

Ученый секретарь

диссертационного совета №К063.38.21

кандидат технических наук С.Л.Кулаков

Общая характеристика работы.

В течение многих лет остается неизменным интерес к получению и использованию горячей плотной плазмы, генерируемой с использованием электрического взрыва проводников. Одним из ее приложений начиная с первых дней использования являлся управляемый термоядерный синтез, поскольку в экспериментах по ЭВ1! достигаются высокие зттачеппя параметра пт. Особый интерес вызывают исследования в области получения плотной плазмы металлов, отличительной особенностью которой является большое зарядовое число Ъ и, следованию, высокая излучатсльная способность. Электрический взрыв проводников применяется для получения мягкого рентгеновского излучения высокой мощности, которое может быть использовано в научных н технологических целях, например для рентгеновской литографии в полупроводниковой технологии, спектроскопии и др. В связи с развитием тенденшш к запрещению испытаний ядерного оружия, актуальной становился задача создания источников излучения, моделирующих отдельные факторы ядерного взрыва. Корона проволочки, взорванной током, перспективна как активная среда для лазеров в диапазоне мягкого рентгеновского излучения. В результате электрического взрыва образуются мелкодисперсные металлические порошки, которые могут быть использованы в технологических целях.

Специфической областью экспериментов по ЭВП является электрический взрыв в продольном магнитном поле. Такого рода эксперименты имеют достаточно давнюю историю. Основной целью исследователей было подавление с помощью внешнего поля развития МГД-нсустойчивостей, развивающихся в проводнике. Однако в последние годы в ряде работ расчетного характера была предсказана возможность дополнительного нагрева периферийных областей плазмы азимутальным током, наводимым в плазме яри ее расширении в условиях вакуумного взрыва. Необходимым условием для реализации этого эффекта в

лабораторных условиях является использование магнитного поля с индукцией порядка 50-100 Т.

К преимуществам данного способа получения горячей плотной плазмы относится отсутствие необходимости применения мощных наносекундных формирующих линий и проблем, связанных с использованием сверхвысоких напряжений.

В то же время, отсутствие экспериментальных данных в области вакуумного взрыва проводников в сильных магнитных полях не позволяет однозначно оценить перспективы данного способа получения плотной горячей металлической плазмы.

Исходя из вышеизложенного, можно сформулировать цель данной работы: исследование возможности использования сильного продольного магнитного поля для создания устройств, генерирующих горячую плотную плазму металлов, на основе электрического взрыва проводников.

Поставленная цель требует для своего достижения проведения большого объема чрезвычайно дорогостоящих экспериментов, сложность выполнения которых связана с получением сильных магнитных полей, с решением технологических вопросов, возникающих при проведении вакуумного ЭВП в объеме соленоида сильного магнитного поля, а также с диагностикой плазмы электрического взрыва. Поэтому значительная часть работы посвящена компьютерному анализу процессов, исследуемых экспериментально. Применение математического моделирования позволяет выявить основные факторы, влияющие на эффективность нагрева периферийной плазмы. Также, компьютерное моделирование позволяет получить дополнительную информацию о характеристиках процесса ЭВП в подолыюм магнитном поле из имеющегося экспериментального материала, объем которого ограничивается результатами, полученными автором.

В соответствии с поставленной целью, в работе ставятся и решаются следующие задачи.

1. Теоретическое обоснование возможности ускорения и нагрева плазмы в магнитном иоле на примере модельных задач.

2. Разработка экспериментального оборудования для проведения экспериментов по ЭВП в продольном маг интном поле амплшудий 50 -70Т.

3. Проведение экспериментов по ЭВП в продольном магнитном поле с регистрацией электрических и оптических характеристик процесса.

4. Компьютерная обработка результатов экспериментов с целью получения дополнительных данных о характеристиках процесса взрыва проводника и расширения продуктов взрыва.

5. Проведение компьютерных расчетов расширения плазмы ЭВП для выбора модели проводимости плахмы, наиболее адекватно описывающей же и е р и м е и тал ь н ы е р е зул ьтаты.

Научная новтна работы состоит в следующем:

1. Впервые проведено экспериментальное исследование электрического взрыва проводника в вакууме в продольном магнитном поле с амплитудой 50 Т и выше.

2. Впервые экспериментально показано, что в условия вышеописанного эксперимента наблюдается переход наружных малоплотных слоев плазмы канала электрического взрыва в режим разогрева и ускорения • за счет взаимодействия с магнитным полем. При этом граница плазмы движется со скоростью порядка 20 км/с.

3. Впервые применена техника диамагнитных измерений для диагностики плазмы электрического взрыва, что в сочетании с высокоскоростным фотоэлектронным хронографированием позволило измерить величину азимутального тока, генерируемого в расширяющемся плазменном облаке.

4. На основании полученных экспериментальных данных о параметрах плазмы была проведена серия численных расчетов, продемонстрировавших возможность ускорения плазмы магнитным полем при возникновении аномального электрического сопротивления в областях с высокой плотностью тока. Показано, что при этом температура наружных слоев плазмы может достигать величины порядка ста электрон-вольт, что делает плазму электрического взрыва проводника в вакууме в продольном магнитном поле перспективным источником излучения для научных и технологических целей.

Практическая ценность работы состоит в том, что

1. Проведены расчеты процесса расширения в магнитном поле плазмы в безразмерном виде, позволяющие выбрать условия электрического взрыва в продольном магнитном поле, при которых реализуется эффект разо1рева плазмы азимутальным током.

2. Экспериментально подтверждена целесообразность использования коммутаторов на скользящем разряде в малоиндукгивных емкостных накопителях энергии с запасаемой энергией масштаба 1 Мдж.

3. Отработана технология проведения экспериментов по вакуумному электрическому взрыву в сильном магнитном поле, позволяющая получать хорошо воспроизводимые результаты.

4. Получены экспериментальные данные о проводимости плазмы меди в условиях протекания по ней тока большой плотности в сильном магнитном поле.

На защиту выносятся следующие положения

1. Вакуумный электрический взрыв проводника в сильном продольном магнитном поле при определенных в работе условиях может сопровождаться образованном высокотемпературной

быстрорасширяющейся плазменной оболочки с высокой плотностью

а ЗИМу-] ЗЛЬНОГО ТОКа.

1. Дополнительнее ускорение границы плазмы при ЭВН в продольном магнитном поле является следствием уменьшения проводимости наружных слоев плазмы при протекании по ним азимутального тока большой плотности из-за возникновения аномального электросопротивления.

3. Анализ энергобаланса плазмы позволяет сделать вывод о резком росте энергии периферийных слоев плазмы при ее расширении » продольном магнитом поле.

4. Экспериментально подтверждена возможность применения продольного магнитного поля при электрическом взрыве проводника для получения горячей плазмы. Использование .магнитного поля может быть дополнением к известным способам нагрева плотной металлической плазмы в геометрии «7-пинча»

Апробация работы и публикации

Основные положения диссертационной работы докладывались на шести

научных конференциях, в том числе четырех международных. Основные

результаты работы изложены в девяти печатных работах.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (78 названий). Общий объем работы -136 с. рисунков 52.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы работы и сформулирована ее основная цель.

В первой главе проведен обзор известных областей применения и способов получения горячей плотной плазмы. Проанализированы преимущества и недостатки используемых принципов получения и нагрева металлической плазмы.

Рассмотрены известные данные по электрическому взрыву проводников в продольном магнитном поле. Сформулированы задачи работы.

Во второй главе на основе аналитических моделей стационарного течения плазмы в магнитном поле и численного моделирования движения плазмы с постоянной проводимостью в геометрии взрываемого проводника проведены оценки возможности нагрева и ускорения плазмы в продольном магнитном поле.

В рамках модельной задачи рассмотрено перемещение элементов среды вдоль оси х со скоростью и/х) , при этом все характерные параметры (плотность р, скорость и, давление Р, температура Г) постоянны во времени. Показано, что в режиме стационарного течения поле является фактором, влияющим на движение среды - в зависимости от значения параметра во-роЩ^Ро-, оно либо замедляет среду (во>1), либо ускоряет (Величины с индексом "О" относятся к началу области магнитного поля). Полная энергия плазмы в рассматриваемом режиме течения сохраняется, поскольку мощность Джоулева нагрева равна мощности потерь при электромагнитном торможении. При сохранении

полной энергии происходит се перераспределение под действием поля: при во 1 кинетическая энергия переходит, в тепловую, при в?/'! имеет место обратная картина. Плоское стационарное течение имеет место на

Рв

характерной длине *■ =—, определяемой кроме начальных значении

термодинамических характеристик также электропроводностью плазмы и нпдуотией внешнего магнмппо поля. На краю области течения скорость частиц равна локальной скорости звука. Параметрами подобия радиального течения являются п Го'х» Т^'р. где ги - начальный

радиус, р ^Рц'(В2Ям^гпиисг- магнитное число Рейнольдса.

Заметное влияние магнитного поля на расширение продуктов взрыва проводника можно ожидать при г,, лу-/, что при размерах вакуумной камеры масштаба 1 см возможно лишь в очень сильном магнитном поле (с индукцией порядка нескольких десятков Тесла).

2. Модельные расчеты были далее дополнены изучением неаанионарных режимов расширения в вакуум плазменного слоя с постоянной проводимостью в сильном продольном магнитном поле. В нестационарном режиме параметрами подобия являются в0, Р и 11е„. Число параметров на сдиннну больше, чем при стационарном режиме течения в заданном поле, поскольку, в отличие от стационарного случая, р и Я,т1 выступают не в комбинации, а как отдельные параметры.

В отличие от стационарного течения, в нестационарном случае возможна передача энергии от магнитного поля плазме. Вблизи внешней I рашщы, при условии, что скорость диффузии поля в плазму больше скорости расширения (это соответствует и и тип Джоулев нагрев больше потерь на Лоренцево сопротивление, т.е., поле передает энергию плазме.

Численные расчеты показали, что в режиме расширения в вакуум плазменного цилиндра с постоянной проводимостью при значениях магнитного числа Рейнольдса порядка 0.1 плазма может получать от поля дополнительную энергию масштаба начальной энергии плазменного

столба. При этом основная часть энергии выделяется в периферийных областях, приводя к их значительному разогреву.

Таким образом, в рамках модельных задач показана возможность ускорения и разогрева плазмы электрического взрыва в продольном магнитном поле. Установлены условия подобия и показано, что применительно к периферийной плазме указанный процесс возможен в поле с индукцией порядка десятков Тесла.

На основании проведенных модельных расчетов были выбраны параметры установки для экспериментальной проверки эффекта разогрева периферийной плазмы ЭВП магнитным полем. Согласно результатом теоретических оценок, при величине магнитного поля 50-70Т, начальной скорости расширения плазмы порядка 3 км/с, проводимости масштаба 103 (Омм)"1 , размере вакуумной камеры 10"2м следует ожидать существенного влияния магнитного поля на процесс расширения плазмы ЭВП. Это влияние проявляется в виде генерации азимутального тока, нагревающего периферийные области плазмы.

В третьей главе описывается экспериментальная установка, использованная для исследования электрического взрыва в сильном магнитном поле. Ее основным элементом является генератор импульсных токов ГИТ-50/1600 лаборатории высоковольтной импульсной техники кафедры ИЭ и ТВН СПбГТУ. Для проведения экспериментов с сильными магнитными полями генератор был оборудован коммутаторами с использованием скользящего разряда, установленными на 24-х ячейках, каждая из которых состоит из девяти конденсаторов ИК-50/3. Для обеспечения синхронной работы коммутаторов в режиме многоканальной коммутации была разработана система поджига на основе малоиндукгивных генераторов импульсных напряжений, выполненных по схеме Фитча. Опыт эксплуатации данной системы показал ее достаточно высокую надежность и стабильность работы.

Нагрузкой ГШ' служил массивный одновитковын соленоид со сменной внутренней вставкой из пластичного материала, которая деформировалась при каждом разряде, предохраняя основной соленоид от разрушения. Объем рабочей области соленоида - 20 см^, максимальная величина амплитуды поля - 70 Тл. При работе ГИТ на соленоид, период разрядного тока составляет 28 мкс. первый максимум амплитуды поля приходи 1ся на 6-ю микросекунд)". Момент взрыва проводника синхронизовался с максимумом магнитного поля.

Далее приведено описание генераюра импульсов тока контура взрыва проводника, систем электрических и оптических диагностик, использовавшихся для определения характеристик электрического взрыва. Также описываются требования к специальным образом изготовленным вакуумированным образцам взрываемых проводников и технология их изготовления. Приведена схема расположения баллона со взрываемым проводником и токоподводов контура ЭВГ1 внутри соленоида.

В четвертой главе содержится сводка результатов экспериментов но вакуу.\шом> электрическому взрыву проводников в магнитном поле с амплитудой до 70 Т 1! их анализ, целью которого было получение максимально возможною количества информации о физической картине процесса взрыва. Обработка осциллограмм тока и напряжения на проводнике показала существенное влияние продольного магнитного поля на электрические характеристики взрыва. На рис.1, приведены зависимости от времени сопротивления взрываемого проводника при взрыве в магнитном поле и без него.

Из резулыагов фотохротлрафирования прцесса взрыва следует, что в процессе взрыва проводника в магнитном поле вокруг плотной сердцевины ("керна") образуется светящаяся область, которая расширяется со скоростью около 20 км/с.

{ МКС

Рис. 1. Зависимость от времени сопротивления взрываемого проводника. 1-3=50 т, 2-В=0

На фотохронограммах взрыва без продольного магнитного поля периферийная область слабого свечения также имеет место, но ее расширения не наблюдается. На рис.2 приведены фотохронограммы процесса расширения плазмы для режимов взрыва с продольным магнитным полем и без него, а на рис.3 - линии равной плотности почернения фотохронограмм.

Рис. 2

Фотохронограммы электрического взрыва проводника в продольном магнитном поле Вг=0 (а) , Вг=50 Т ( б )

Рис.3. Линии, ргзиой ш-огаост

по«<?ри,?н*гя фг^сллеккп ьо данным $о""СУр?!1Сгра4>»цл/»с»нкй (12-20%, 3-35%, 4-100°) а - Вг~0 , б - Вл«5С Т

Как видно из рисунка, изменение во времени радиуса керна в режиме с продольным полем и без него практически одинаково. Это позволяет сделать оценку проводимости периферической плазмы ЭВ11 в магнитном поле в предположении о том, что сопротивление керна одинаково в режимах с полем и без поля. В атом случае проводимость плазмы шубы имеет порядок 10" См. С помощью диамагнитных измерения был зафиксирован сигнал, пропорциональный магнитному потоку, вытесненному из объема плазмы при ее расширении (рис.4

Ф

4 б Э 10 12 14 1 мкс

Осциллограмма диамагнитного сигнала !1) ::

магн;.;1: чоХ'О поля

По данным диамагнитных измерений определена величина азимутального тока, возбуждаемого в движущейся плазме. Как следует из результатов измерений, линейная плотность азимутального тока достигает величины Ю6 А/м, а объемная -109 А/м2.

В пятой главе приводятся результаты численного моделирования движения плазмы в режиме, близком к экспериментально исследованному, с использованием различных моделей электропроводности плазмы. Целью расчетов был выбор модели, наиболее адекватно описывающей характерные особенности реального процесса, в частности разгон внешних областей плазмы. Результаты расчета зависимости от времени скорости и температуры на периферии плазмы при использовании модели проводимости Спитцера и модели постоянной проводимости дают результаты, сильно отличающиеся от наблюдаемых в экспериментах. Максимальная величина скорости границы и длительность фазы ускорения плазмы в этих случаях значительно ниже наблюдаемой в экспериментах.

В связи с этим, в расчете была использована модель проводимости Беспалова-Полищука, описывающая поведение проводимости плазмы в широком диапазоне температур и плотностей в условиях локального термодинамического равновесия (рис.4).

Расчет, проведенный с использованием модели проводимости Беспалова-Полищука, дает хорошее согласие с экспериментом лишь с введением эмпирического поправочного множителя порядка 0.1 к величине проводимости плазмы.

с (Ом-мУ'

10",

1 10 103 Т эВ

Рис. 4 . Зависимость электропроводности меди ст темпопатурн лля ракличны^-значен:::! пло г рас4^;аккые по модели Неслагсаа-Лслгзсука. 1 -р«15ии кт7м", 2 - р--±Ь0 К3 - р--- 1 ¡:т

Эмпирическая поправка к модели Беспалова-Полищука учитывает возникновение аномального сопротивления плазмы, которое в реальных условиях может быть следствием высокой дрейфовой скорости электронов.

'' м/ 22000 20000 18000 16000 14000 | / з 12000' 10000

4Е-03 8Е-0 1С

50 40 30 20 10

—-о

1.2Е-07

Рис.5. Зависимость от времени скорости и температуры на периферии плазмы при расчете с использованием молели

лрозод;1г«сгт;' Беспалоеа-Псли:,цука с ввйзехшеч лопрзпсчнэго множителя. 1,2 - скорость, 3,4 - тенператфз, пунктирная кривая - скорость по данным эксперимента. Кривые 1 и 3 относятся к значению пспразс-кгого множителя О.з, 2 и 4 -к значению испрагсчкого множителя 0.1

4

На основании расчетов высказано предположение о том, что причиной дополнительного ускорения границ плазмы при расширении в вакуум в продольном магнитном поле является смещение вглубь плазмы максимума плотности азимутального тока вследствие уменьшения проводимости поверхностных слоев с малой плотностью. Это может быть связано с развитием в наружных слоях токовых неустойчивостей, обусловленных высокой дрейфовой скоростью электронов.

Результаты работы

1. В рамках модельных задач показана возможность ускорения и разогрева плазмы электрического взрыва в продольном магнитном иоле. Установлены условия подобия и показано, что применительно к периферийной плазме указанный процесс возможен в поле с индукцией порядка десятков Тесла.

2. Впервые проведено экспериментальное исследование электрического взрыва проводника в вакууме в продольном магнитном поле с амплитудой 50 Т и выше. Отработана технология проведения экспериментов по электрическому взрыву в сильном магнитом поле с сохранением в течение времени эксперимента вакуумных условий и пространственного положения взрываемого проводника.

3. Впервые экспериментально показано, что в условия вышеописанного эксперимента наблюдается переход наружных малоплотных слоев плазмы канала электрического взрыва в режим разогрева и ускорения за счет взаимодействия с магнитным полем. При этом граница плазмы движется со скоростью порядка 20 км/с.

4. Впервые применена техника диамагнитных измерений для диагностики плазмы электрического взрыва, что в сочетании с высокоскоростным

фотоэлектронным хронографированием позволило измерить проводимость расширяющегося плазменного облака. — -

5. На основании полученных экспериментальных дашшх о параметрах плазмы была проведена серия численных расчетов, продемонстрировавших возможность ускорения плазмы магнитным полем тури возникновении аномального электрического сопротивления в областях с высокой плотностью тока. Показано, что при этом температура наружных слоев плазмы может достигать величины порядка ста электрон-вольт, что делает плазму электрического взрыва проводника в вакууме в продольном магнитном поле перспективным источником мягкого рентгеновского излучения для научных и технологических целей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Адамьян Ю.Э. Березкин Д.Н. Шнеерсон Г.Л. VI Электрический взрыв

проводника в магнитном поле. Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы. Тезисы докладов, т.2, стр.387-389, Ленинград ,1983 г.

2. Лдамьян Ю.Э., Березкин Л.Н., Бочаров IO.IT. н др. Стенд для

создания сильных импульсных магнитных полей. ПТЭ, 1994, вып.5, с. 134-139.

3. Адамьян Ю.Э ,Василевский В.М. Кривошее« С.И., Колгашн С.Н.,

Шнеерсон Г.А. Шутов В.Л. Электрический взрыв проводников в сильном магнитном иоле. Письма в ЖТФ . 1995, N. 23, с.43 -46.

4. Адамьян Ю.Э., Березкин А.Н., Василевский В.М. и др. Процесс

расширения и нагрева плазмы при электрическом взрыве проволочки

в сверхсильном магнитном поле. Тезисы докладов 6 Международной конференции по генерации мегагауссных полей и родственным экспериментам, г. Саров, 5-10 августа 1996.

5. Yu.E. Adamyan, V.M. Vasilevsky, S.N. Kolgatin, G.A.Shneerson, Forming

of high speed radial plasma flow due to its heating by induced azimuthal current in electrical explosion of wires in extra high magnetic field, Proceedings of 12th international conference on high-power particle beams, Haifa, Israel, 1998.

6. Адамьян Ю.Э., Василевский B.M., Колгатин C.H, Шнеерсон Г.А.

Эффект нагрева поверхностного слоя плазмы при взрыве проводника в вакууме в сильном продольном магнитном поле. ЖТФ, 1999, вып 5, с.121-127.

Лицензия ЛР № 065394 от 08.09.97

Подписано в печать 05,10С6. _ Объем 1,0 п.л. Тираж №0 экз. Заказ УвЩ

Отпечатано в издательстве "Нестор" 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29