Генерация мягкого рентгеновского излучения с энергией квантов выше 1 кэВ в К-линиях вещества лайнера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

РГо ОД ? я дйг

На правах рукописи

Шишлов Александр Викторович

ГЕНЕРАЦИЯ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ С ЭНЕРГИЕЙ КВАНТОВ ВЫШЕ 1 кэВ В К-ЛИНИЯХ ВЕЩЕСТВА ЛАЙНЕРА

01.04.13 - электрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 2000 г.

Работа выполнена в Институте сильноточной электроники Сибирского Отделения Российской Академии Наук, г.Томск.

Научный руководитель: д.ф.-м.н.

Бакшт Рина Борисовна

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н.

Козырев Андрей Владимирович (Томский государственный университет)

к.ф.-м.н.

Калинин Юрий Григорьевич (РНЦ "Курчатовский институт", г. Москва)

Ведущая организация: ГНЦ РФ "Троицкий институт

инновационных и термоядерных исследований" (г.Троицк)

Защита диссертации состоится " " 2000 г. в

часов на заседании диссертационного совета Д.003.41.01 при Институте сильноточной электроники СО РАН (634055, г.Томск, пр. Академический, 4)

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН.

Автореферат разослан " 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н., проф.

ьгъъ.Чцоъ

И.Проскуровский

ВЗЗЗ, ЧЗ^ОЪ £333,л

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

- Имплозия легких лайнеров является объектом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований на протяжении последних двадцати лет. Интерес к исследованию лайнеров объясняется возможностью их практического применения. 2-пинч был одним из первых кандидатов для нагрева дейтерий-тритиевой смеси до условий, в которых возможно протекание реакции термоядерного синтеза. Исследование возможности решения проблемы термоядерного синтеза с применением лайнерных систем продолжается и в настоящее время (динамический холраум, ступенчатый г-пинч). Сжатие лайнером магнитного поля используется для получения импульсных сверхсильных магнитных полей, плазма г-пинча может служить активной средой либо источником накачки рентгеновского лазера. Одним из важных приложений имплозии лайнеров на сегодняшний день является также получение мощных импульсов рентгеновского излучения. При этом особый интерес представляет генерация излучения в К-линиях вещества лайнера с энергией квантов более 1 кэВ.

Релей-Тейлоровская неустойчивость, развивающаяся в процессе ускорения плазменной оболочки, приводит к нарушениям однородности финального плазменного столба. В ряде теоретических работ отмечалось, что развитие неустойчивости может привести к снижению эффективности генерации излучения в К-линиях особенно при имплозии лайнеров с больших начальных радиусов и при больших временах имплозии. С другой стороны было бы желательно сохранить уровень стабильности лайнера, обеспечивающий эффективную генерацию излучения в К-линиях, при больших (порядка 200-300 не) временах имплозии. Это позволило бы использовать генераторы, обеспечивающие меньшую скорость нарастания тока в нагрузке, а

значит более простые в конструктивном исполнении и более дешевые, в качестве драйвера для имплозии 2-пинча. Перспективным с точки зрения стабилизации процесса имплозии является применение нагрузок со структурированным профилем плотности, например двухкаскадного лайнера или лайнера в виде сплошного газового столба. В 1994 году, когда была начата данная работа, вопрос о степени влияния Релей-Тейлоровской неустойчивости на выход излучения в К-линиях и эффективности использования структурированных нагрузок для генерации излучения в К-линиях не был исследован экспериментально.

Цель работы.

Целью настоящей работы являлось:

1. Исследование влияния Релей-Тейлоровской неустойчивости на динамику сжатия и выход излучения в К-линиях при имплозии одиночных лайнеров;

2. Исследование возможности стабилизации имплозии с использованием двухкаскадного лайнера;

3. Исследование эффективности генерации излучения в К-линиях при имплозии двухкаскадного лайнера;

4. Оптимизация параметров двухкаскадного лайнера для обеспечения эффективной генерации излучения в К-линиях.

Научная новизна.

1. Впервые экспериментально показано, что лайнеры с большей массой являются более устойчивыми в отношении развития Релей-Тейлоровской неустойчивости;

2. Впервые экспериментально показано, что переход к имплозии лайнеров с большим начальным радиусом приводит к резкому снижению мощности и выхода излучения в К-линиях;

3. Впервые экспериментально показано, что использование

двухкаскадного лайнера позволяет получить эффективную генерацию излучения в К-линиях при временах имплозии порядка 300 не.

Научная и практическая ценность работы.

1. Проведенные в диссертационной работе исследования показали бесперспективность использования лайнеров с большим начальным радиусом для генерации излучения с энергией квантов выше одного килоэлектронвольта.

2. Экспериментальная реализация схемы с двойным лайнером доказала, что такие схемы могут быть использованы для эффективной генерации К-излучения при временах имплозии лайнера до 300 не.

3. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении контрактов между Институтом Сильноточной Электроники и зарубежными организациями. В частности, оптимизация соотношения между массами внутренней и внешней оболочек в двойном лайнере была выполнена в рамках контракта с фирмой "Maxwell-Physics International" и впоследствии указанный результат использовался этой фирмой для генерации К-излучения при сжатии двухкаскадного аргонового лайнера на установке Double Eagle, мощность которой значительно превышает мощность генератора, на котором выполнялись эксперименты, представленные в диссертационной работе.

Положения, выносимые на защиту.

1. При сжатии с одного и того же начального радиуса лайнеры с большей массой являются более устойчивыми в отношении развития Релей-Тейлоровской неустойчивости.

2. Развитие Релей-Тейлоровской неустойчивости в процессе имплозии лайнера приводит к уменьшению выхода и мощности излучения в К-линиях вещества лайнера, причем тем сильнее, чем больше начальный радиус лайнера. При увеличении начального радиуса лайнера снижение мощности излучения в К-линиях происходит быстрее, чем снижение выхода излучения.

3. Влияние Релей-Тейлоровской неустойчивости на выход и мощность излучения в К-линиях проявляется гораздо сильнее и при меньших начальных радиусах лайнера, если выход излучения в К-линиях много меньше кинетической энергии лайнера.

4. Использование нагрузки в виде двухкаскадного лайнера позволяет улучшить стабильность имплозии и однородность финального плазменного столба, причем стабилизация становится эффективной при соотношении массы внутренней оболочки к массе внешней оболочки больше единицы, что позволяет осуществлять эффективную генерацию излучения в К-линиях при временах имплозии вплоть до 300 не.

5. При имплозии двухкаскадного лайнера основной вклад в излучение в К-линиях дает вещество внутреннего лайнера.

Апробация работы.

По теме диссертации опубликованы десять печатных работ в таких журналах как "Физика плазмы", ПТЭ, "IEEE Transactions on Plasma Science", "Physics of Plasmas". Результаты, представленные в диссертационной работе, были доложены автором на IV и V Международной конференции "Забабахинские научные чтения" (г.Снежинск, 1995, 1998), IV Международной конференции по плотным Z-пинчам (г.Ванкувер, Канада, 1997), 26 Международной конференции по физике плазмы (г.Монтерей, США, 1999). Результаты были также

представлены на 10 и 11 Международной конференции по высокоэнергетичным пучкам (г.Сан-Диего. США, 1994; Г.Прага, Чехия, 1996), 36 ежегодной конференции отделения физики плазмы Американского физического общества (Г.Миннеаполис, США, 1994), 12 Международной конференции по импульсной техники (г.Монтерей, США, 1999).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем 107 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 7 таблиц и 69 наименований в списке литературы.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, раскрыта структура диссертации, сформулированы тезисы, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор работ, посвященных проблемам генерации излучения в К-линиях, влиянию Релей-Тейлоровской неустойчивости на динамику имплозии и способам подавления Релей-Тейлоровской неустойчивости. Анализируются условия, необходимые для генерации излучения в К-линиях, и возможность применения тех или иных методов стабилизации при решении задачи генерации мощных импульсов К-излучения.

Во второй главе дано описание установок ГИТ-4 и ГИТ-12, используемых для проведения эксперимента, клапана для создания газового лайнера, диагностической аппаратуры.

Установки ГИТ-4 и ГИТ-12 являются тераватгными импульсными генераторами с промежуточным индуктивным накопителем и микросекундным плазменным прерывателем тока (ППТ). Генераторы имеют многомодульную компоновку. Каждый модуль

представляет собой часть первичного емкостного накопителя, собранного по схеме генератора Маркса. При зарядном напряжении первичного емкостного накопителя 50 кВ энергозапас генератора ГИТ-4 составляет 0.84 МДж, генератора ГИТ-12 - 2.6 МДж. При работе с ППТ на нагрузку в виде газового лайнера генератор ГИТ-4 обеспечивает ток 1.6-1.7 MA с фронтом порядка 120 нс, ГИТ-12 - 2.5 MA при фронте тока 300 не.

Для формирования газового лайнера в экспериментах использовался электромагнитный клапан в сочетании с концентрическими соплами Лаваля. В большинстве экспериментов с двухкаскадным лайнером использовался многокамерный клапан, в котором напуск газа осуществляется от одного электромагнитного привода, при этом давление на входе как во внешний, так и во внутренние каскады регулируется независимо. Описана методика оценки массы инжектированного газа на основе результатов измерений распределения газа, формируемого газовым клапаном, полученных с помощью высокочувствительного лазерного интерферометра в Naval Research Laboratory.

Для диагностики динамики сжатия лайнера и излучения z-пинча использовались: фотоэлектронный регистратор ФЭР-7, интегральные камеры-обскуры, вакуумные рентгеновские диоды (ВРД), фотопроводящий детектор (PCD), дифракционный спектрограф с пропускающей решеткой, и спектрограф Вульфа-Брэгга с диспергирующим элементом в виде выпуклого кристалла слюды.

В третьей главе представлены результаты исследования влияния Релей-Тейлоровской (РТ) неустойчивости на выход излучения при имплозии однокаскадных лайнеров, проводится сравнение полученных результатов с результатами численного моделирования выхода излучения в К-линиях с помощью двухуровневой и ударно-излучательной модели.

На генераторе ГИТ-4 были проведены эксперименты с одиночным аргоновым лайнером радиусом 14 мм различной массы. Изменение массы впрыснутого в межэлектродный зазор газа осуществлялось путем варьирования времени задержки между срабатыванием клапана и запуском генератора тока либо варьированием начального давления газа за клапаном. Данные полученные с помощью фотоэлектронного регистратора и камеры-обскуры показывают, что стабильность имплозии одиночного лайнера зависит от его массы. На рис.1 представлены хронограммы и обскурограммы сжатия лайнеров с различной массой. В выстреле, где масса лайнера была максимальной, внешняя стенка лайнера практически не возмущена. При уменьшении массы лайнера на его внешней стенке регистрируются возмущения, амплитуда которых, однако, не превышает толщины стенки лайнера. При дальнейшем уменьшении массы на хронограмме регистрируются разрывы в лайнерной оболочке, которые связаны с образованием "пузырей" в результате развития РТ-неустойчивости.

Shot #15 Shot #22 Shot #18 t„ = 550 мне t,. = 335 мкс = 220 мкс

i \

Рис.1 Имплозия одиночного лайнера с начальным радиусом 1.4 см и разной начальной массой: а) хронограммы сжатия (25 нс/дел.); б) обскурограммы, полученные за фильтром из Му 3 ц + А10.5 ц; в) обскурограммы в К-линиях аргона, полученные за фильтром Т| 10 ц.

Качество финального пинча, которое можно оценить по

обскурограммам, достаточно хорошо коррелирует с полученными хронограммами.

Эмиссию вещества в К-линиях условно делят на сильную и слабую. Если выход излучения в К-линиях мал (менее 10% от внутренней энергии плазмы) и им можно пренебречь в энергобалансе, то говорят об эмиссии в слабом режиме. Если же выходом излучения в К-линиях нельзя пренебречь в уравнении баланса энергии, то эмиссия сильная. В условиях генератора ГИТ-4 эммисия излучения в К-линиях аргона является слабой.

Зарегистрированный в экспериментах выход излучения в К-линиях аргона (полная излученная за импульс энергия в данном спектральном диапазоне) составляет от 38 до 180 Дж/см, при мощности излучения от 2.6 до 16.7 ГВт/см. Ширина импульса излучения на полувысоте находится в пределах от 8 до 12 не, при этом четкой зависимости длительности импульса излучения от массы лайнера не прослеживается. При увеличении массы лайнера выход излучения в К-линиях сначала нарастает, а потом снижается. Это качественно согласуется с теоретическими представлениями: при малой массе лайнера запасенной кинетической энергии будет достаточно, чтобы обеспечить ионизацию до гелио- и водородоподобного состояния большинства ионов и нагреть плазму до оптимальной для излучения в К-линиях температуры; увеличение массы лайнера, то есть количества излучателей, должно привести к росту выхода излучения до тех пор, пока запасенной кинетической энергии хватает для обеспечения указанных выше условий; после этого выход излучения с ростом массы лайнера начнет снижаться.

Было проведено количественное сравнение теоретических и экспериментальных данных. Для этого было проведено численное моделирование имплозии лайнера и выхода излучения в К-линиях аргона. Динамика имплозии моделировалась с помощью нульмерной 10

модели снежного плуга. Излучение лайнера в K-линиях рассчитывалось с помощью двухуровневой модели (D.Mosher, N.Oi, M.Krishnan. IEEE Trans. Plasma Sei. v.26. No.3. 1998, p.1052). и на основе многоуровневой ударно-нзлучательной модели (В.И.Орешкин, Препринт №4. Томск: ИСЭ, 1994) с учетом реабсорбцин излучения в спектральных линиях. Результаты расчетов и полученные в эксперименте данные по выходу излучения приведены на рис.2.

Использованные для расчета излучения модели хорошо коррелируют между собой и предсказывают оптимум излучения при массе лайнера 30-40 мкг/см. Однако абсолютная величина выхода излучения, полученная в расчетах, в два раза выше, чем зарегистрированная в эксперименте. Разумным объяснением этого может являться то, что не вся масса лайнера, как это подразумевается при моделировании, достигает необходимых условий и дает вклад в выход излучения в К-линиях.

Масса лайнера. мкг*см

Рис.2 Расчетные и экспериментальная зависимости выхода излучения в К-линиях аргона от массы одиночного лайнера с начальным радиусом 1.4 см в условиях генератора ГИТ-4.

В условиях генератора ГИТ-4 эмиссионный режим для аргона является слабым. При этом любое нарушение симметрии имплозии приводит к ухудшению условий термализации и следовательно к падению выхода излучения. Рост неустойчивостей в процессе имплозии приводит к нарушению симметрии оболочки и неодновременному приходу массы на ось системы. Это, в свою очередь, ведет к тому, что в

финальном пинче присутствуют большие градиенты температуры и плотности и не вся масса достигает условий, необходимых для генерации излучения в К-линиях. При малых массах падение мощности происходит гораздо быстрее, чем это предсказывают расчеты. Это является следствием того, что более легкий лайнер является менее устойчивым. Время прихода массы на ось системы и преобразования кинетической энергии во внутреннюю энергию плазмы увеличивается и мощность излучения в К-линиях падает.

Увеличение начального радиуса лайнера должно привести к увеличению выхода излучения в К-линиях, так как кинетическая энергия, запасаемая лайнером в процессе имплозии, должна возрасти. Эксперименты, проведенные с одиночным лайнером с начальным радиусом 3 см, показывают, что выход излучения не только не возрастает, но и существенно снижается по сравнению с одиночным лайнером с радиусом 1.4 см. Максимальный выход излучения, зарегистрированный в этих экспериментах составляет 105Дж/см, что почти в два раза ниже максимального выхода в К-линиях аргона, полученного на одиночном лайнере с радиусом 1.4 см. Падение мощности излучения еще сильнее. Максимальная мощность излучения в К-линиях лайнеров с начальным радиусом 3 см в три раза меньше по сравнению с лайнерами с радиусом 1.4 см, при этом практически во всех выстрелах увеличилась длительность импульса излучения. Данные, полученные с помощью фотоэлектронного регистратора и камеры-обскуры, говорят о том, что имплозия лайнера с радиуса 3 см более неустойчива. Полученные хронограммы свидетельствуют о том, что сохраняется тенденция, когда имплозия более тяжелого лайнера является более стабильной. Было сделано два выстрела с лайнерами радиусом 4 см. Даже по сравнению с имплозией лайнера с радиуса 3 см выход излучения упал на порядок и не превышает 10 Дж/см. Интенсивности излучения лайнера недостаточна для регистрации его с 12

помощью камеры-обскуры и фотоэлектронного регистратора.

Таким образом, эксперименты, проведенные с одиночными лайнерами радиусом 3 и 4 см, убедительно доказывают, что увеличение начального радиуса и времени имплозии приводит к тому, что Релей-Тейлоровская неустойчивость начинает играть определяющую роль в динамике имплозии газового лайнера. Рост неустойчивостей при этом приводит не только к резкому падению мощности, но и выхода излучения в К-линиях.

Главным отличием экспериментов с неоновым лайнером с начальным радиусом 1.4 см по сравнению с экспериментами на аргоне является то, что в условиях генератора ГИТ-12 неон излучает в К-линиях в сильном эмиссионном режиме. На обскурограммах хорошо видны возмущения внешней границы пинча и образованные в результате развития неустойчивости пики (языки). Обращает на себя внимание тот факт, что значительно увеличился диаметр финального пинча. Размер внутренней наиболее плотной центральной части составляет не менее 3 мм. а в области пиков диаметр может достигать 10 мм. Но даже эти удаленные от оси пинча области эмитируют излучение в К-линиях. Выход излучения в К-линиях при работе с неоновым лайнером значительно увеличился по сравнению с аргоновым лайнером. В экспериментах с аргоном (режим слабой эмиссии) доля выхода излучения в К-линиях по отношению к вложенной в лайнер кинетической энергии не превышает 6%. Для неонового лайнера в лучших выстрелах (при массах близких к оптимальной для данного уровня тока) этот показатель составляет около 50%.

В целом результаты экспериментов с неоновым лайнером радиусом 1.4 см говорят о том, что в отличии от имплозии аргонового лайнера развитие Релей-Тейлоровской неустойчивости в процессе сжатия лайнера не оказывает существенного влияния на выход излучения в К-линиях неона. Причина заключается в том, что

13

требования, необходимые для генерации К-излучения неона не такие жесткие, как для аргона. Действительно, энергия, требуемая для ионизации неона до гелио- или водородоподобного состояния, существенно ниже.

Масса, мкг/см

Рис.3 Зависимость выхода излучения в К-линиях неона от массы одиночного лайнера с начальным радиусом 1.4 см в условиях генератора ГИТ-12.

Оптимальная температура, при которой происходит генерация

излучения в К-линиях, для неона составляет всего 340 эВ, а для аргона -

1100эВ. Кроме того, потери на излучение в Ь-оболочке, которые

препятствуют достижению требуемой температуры, для неона

значительно меньше. При имплозии неонового лайнера запасенной

кинетической энергии более чем достаточно для создания в плазме

условий генерации излучения в К-линиях. Поэтому, несмотря на

деструктивное действие Релей-Тейлоровской неустойчивости, большая

часть вещества лайнера рано или поздно достигает нужной степени

ионизации, плотности и температуры и дает вклад в излучение в К-

линиях. В эксперименте это отразилось в значительном увеличении

размеров области, излучающей в К-линиях, и увеличении длительности

импульса излучения. Однако, при увеличении начального радиуса

лайнера до 4 см выход излучения уменьшился в 1.5 раза, а мощность

излучения в 2.6 раза. Таким образом, как и в случае с аргоновым

лайнером, при увеличении начального радиуса лайнера развитие Релей-

Тейлоровской неустойчивости в процессе имплозии ведет к 14

уменьшению выхода и мощности излучения в К-линиях.

В четвертой главе представлены результаты экспериментов по имплозии двухкаскадных лайнеров, результаты моделирования имплозии двухкаскадных лайнеров с помощью двумерной модели снежного плуга, анализ и сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования.

Данные, полученные с помощью камеры-обскуры и фотоэлектронного регистратора .> экспериментах с двухкаскадным лайнером на установке ГИТ-4, свидетельствуют о значительном улучшении стабильности имплозии при использовании двойного лайнера.

Рис. 4 Хронограмма и обскурограмма сжатия двойного лайнера с радиусами внутренней и внешней оболочки 1.4 и 3 см. Цена деления временной развертки - 25 нс/дел. Обскурограмма получена за фильтром из К]тЯэЛ 2 ц + А1 0.2 ц.

Время имплозии двойного лайнера существенно больше времени имплозии одиночного лайнера с радиусом 1.4 см, соответственно больше и максимальный ток имплозии. Он близок к максимальному току имплозии лайнера с начальным радиусом 3 см. При этом в случае в двойным лайнером удается сохранить и даже улучшить однородность сжатия. Результатом является увеличение выхода излучения в К-линиях аргона в среднем на 20% по сравнению с одиночным лайнером радиуса 1.4 см. Гораздо значительнее улучшение стабильности имплозии отразилось на увеличении мощности излучения в К-линиях. В среднем мощность излучения увеличилась на 60%, а для лучшего выстрела зарегистрировано почти двукратное увеличение

А

К

мощности. Соответственно уменьшилась и длительность импульса излучения - для большинства выстрелов полная ширина на полувысоте составляет 6 не.

Основной задачей экспериментов с двухкаскадным лайнером на генераторе ГИТ-12 было нахождение параметров двойного лайнера оптимальных с точки зрения генерации излучения в К-линиях при больших временах имплозии. Эксперименты проводились с двухкаскадным лайнером с радиусами внутренней и внешней оболочки соответственно 1.4 и 4 см, а так же с одиночными лайнерами с начальным радиусом 1.4 и 4 см. Длина лайнера — 2 см. Эксперименты с одиночным аргоновым лайнером были проведены на установке ГИТ-12 с целью сравнения результатов имплозии одиночного и двойного лайнера в условиях данного генератора.

Эксперименты, проведенные с одиночным лайнером, наглядно демонстрируют существующую проблему генерации излучения при больших фронтах генератора тока. Лайнеры с малым начальным радиусом обладают достаточной устойчивостью, но сжимаются еще на фронте нарастания тока, не используя всей энергии генератора. Увеличение массы лайнера с целью увеличения времени имплозии в данном случае не приводит к положительным результатам, так как, несмотря на увеличение максимального тока имплозии, кинетическая энергия, приходящаяся на одну частицу, остается недостаточной. Лайнеры с большим начальным радиусом сжимаются вблизи максимума тока, но вследствие развития неустойчивостей эффективность генерации излучения в К-линиях падает.

В экспериментах с двойными лайнерами давление за клапаном во внутреннем каскаде лайнера было 5 атм, что соответствует массе лайнера 65-75 мкг/см. Это соответствует оценке оптимальной с точки зрения излучения в К-линиях массе лайнера для уровня тока 2.4 МА. Давление во внешнем каскаде варьировалось.

16

Эксперименты показали, что стабильность имплозии двухкас-кадного лайнера зависит от соотношения масс внутренней и внешней оболочек. Общая тенденция такова, что финальный пинч имеет меньший размер и более однороден при соотношении масс от 1 до 2.4 и качество пинча ухудшается при соотношении масс меньше 1.

В диапазоне соотношения масс от 0.75 до 1.5 выход излучения меняется мало и в среднем составляет 580 Дж/см. Максимальный выход излучения, зарегистрированный в этих экспериментах, составляет 740 Дж/см. Для большинства выстрелов ширина импульса излучения на полувысоте не превышает 6 не. Разброс в значениях мощности излучения больше, чем разброс в значениях выхода излучения в К-линиях. Для того же диапазона соотношения масс средняя мощность излучения составляет 120 ГВт/см, а максимальная мощность излучения -220 ГВт/см.

Для моделирования динамики имплозии двухкаскадного лайнера использовалась двумерная модель снежного плуга. В двумерной модели снежного плуга предполагается, что ускоряемая плазменная оболочка является бесконечно тонкой и имеет радиальную и аксиальную составляющие скорости. Уравнения двумерной модели снежного плуга имеют следующий вид:

дШ „

: 2ттф

г дг д.л и--v

et

<3AA/v 12 dz

v dt atj

et c'r с

öAMu Г~ dr

(1)

ы>\ (2)

с! С"гд1

где ДА/ - масса элемента оболочки длиной М; и и V - аксиальная и радиальная компоненты скорости оболочки, соответственно; г - радиус оболочки; I — ток генератора; р - плотность вещества перед ускоряемой оболочкой.

Рост начальных возмущений в двумерной модели снежного плуга приводит к тому, что часть массы оболочки выпадает из процесса ускорения. Максимально возможную при данном уровне тока кинетическую энергию приобретает только часть массы лайнера, остающаяся в ускорении до момента столкновения на оси. Эта часть вещества формирует наиболее горячую центральную область финального плазменного столба и дает основной вклад в излучение в К-линиях. Это не противоречит полученным в эксперименте спектральным данным и данным, полученным с помощью камеры-обскуры (рис.5).

А

К

а) б)

Рис.5 Обскурограммы сжатия двухкаскадного аргонового лайнера: а) в К-линиях аргргона; 6) в диапазоне квантов с энергией выше 0.6 кэВ.

При моделировании динамики имплозии с помощью двумерной

модели снежного плуга в качестве параметра, отражающего

стабильность лайнера, было выбрано отношение аксиальной и

радиальной составляющих кинетической энергии (е = ЕУЕГ).

МЛ.

Рис.6 Зависимость величины параметра е от соотношения масс внутренней и внешней оболочек.

Общий вид зависимости величины параметра е от соотношения масс оболочек приведен на рис.6. Приведенная на рисунке зависимость

показывает, что величина е начинает быстро возрастать при

соотношении масс оболочек меньше единицы. Таким образом, результаты моделирования хорошо согласуются с наблюдаемой в эксперименте тенденцией.

С помощью двумерной модели снежного плуга был проведен расчет сжатия двухкаскадных лайнеров с соотношениями масс от 0.3 до 2.5. Результаты этих расчетов были использованы в качестве входных параметров для расчета излучения в К-линиях аргона с помощью двухуровневой и ударно-излучательной моделей. Рассчитанные зависимости выхода излучения от соотношения масс оболочек представлены на рис.7 вместе с экспериментальными данными.

Рис.7 Расчетные и экспериментальные зависимости выхода излучения в К-линиях аргона в зависимости от соотношения масс оболочек двухкаскадного лайнера.

Для большинства выстрелов разница между расчетной и наблюдаемой в эксперименте величиной выхода излучения в К-линиях не превышает 30%. Исключения составляют случаи, когда масса внешней оболочки велика. Ударно-излучательная модель предсказывает падение выхода излучения, хотя и не такое резкое, как наблюдается в эксперименте. Двухуровневая модель, напротив, предсказывает рост излучения в К-линиях аргона. Причина состоит в том, что двухуровневая модель сильно чувствительна к значению финального радиуса пинча, закладываемого при расчете излучения. В случае, когда финальный пинч очень нестабилен и значительная часть массы остается

на радиусе большем, чем это принято в расчете, ошибка в оценке ожидаемого выхода излучения резко возрастает.

Ток, МА

Рис.8 Сравнение эффективности генерации излучения в К-линиях для газовых лайнеров различной конфигурации. В легенде указаны название генератора, на котором проводились эксперименты, тип нагрузки (однокаскадный лайнер, сплошной газовый столб, двухкаскадный лайнер), радиус лайнера и время имплозии.

На рис.8 дается сравнение полученных экспериментальных результатов по выходу излучения в К-линиях аргона с данными, полученными на других установках. Прямая линия отражает теоретическую зависимость выхода излучения в К-линиях от максимального тока имплозии для случая слабого

эмиссионного режима. Видно, что наилучшую эмиссионную способность имеет лайнер с малым начальным радиусом и временем имплозии не превышающим 100 не. Нагрузки со структурированным профилем плотности (сплошные лайнеры, двухкаскадные лайнеры) имеют более низкую эффективность генерации излучения в К-линиях. Уменьшение выхода излучения в данном случае является платой за стабилизацию лайнера при больших временах имплозии.

Однако, данный тип лайнера несомненно более эффективен по сравнению с одиночным лайнером с большим начальным радиусом при временах имплозии 200 не и более.

В заключении приведены основные результаты и краткие выводы диссертации: 20

1. При сжатии с одного и того же начального радиуса лайнеры с большей массой являются более устойчивыми в отношении развития Релей-Тейлоровской неустойчивости.

2. Развитие Релей-Тейлоровской неустойчивости в процессе имплозии лайнера приводит к уменьшению выхода и мощности излучения в К-линиях вещества лайнера. Снижение выхода и мощности излучения тем сильнее, чем больше начальный радиус лайнера, то есть, чем больше путь, проходимый оболочкой, и время имплозии. При увеличении начального радиуса лайнера снижение мощности излучения в К-линиях происходит быстрее, чем снижение выхода излучения.

3. Влияние Релей-Тейлоровской неустойчивости на выход и мощность излучения в К-линиях проявляется гораздо сильнее и при меньших начальных радиусах и временах имплозии лайнера, если генерация излучения осуществляется в слабом эмиссионном режиме.

4. Использование структурированной нагрузки в виде двухкаскадного лайнера позволяет улучшить стабильность имплозии и однородность финального плазменного столба.

5. Эффективность стабилизации зависит от соотношения масс внутренней и внешней оболочки двухкаскадного лайнера. Стабилизация эффективна при соотношении массы внутренней оболочки к массе внешней оболочки больше единицы.

6. При имплозии двухкаскадного лайнера основной вклад в излучение в К-линиях дает вещество внутреннего лайнера.

7. Использование двухкаскадного лайнера с соотношением масс порядка единицы позволяет осуществлять эффективную генерацию излучения в К-линиях при временах имплозии порядка 300 не.

8. Максимальный выход излучения в К-линиях аргона, зарегистрированный в экспериментах с двухкаскадным лайнером на генераторе ГИТ-12 на уровне тока 2.2-2.3 МА при временах

21

имплозии порядка 300 не, составляет 740 Дж/см при мощности излучения 220 ГВт/см.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. R.B.Baksht, I.M.Datsko, A.A.Kim, B.M.Kovalchuk, S.V.Loginov, V.I.Oreshkin, A.G.Russkich, A.V.Fedunin, A.V.Shishlov, "Gas-puff implosion experiment on the inductive storage generator GIT-4", Proc. of the 10th Int.Conf. on High-Power Particle Beams, San-Diego, 1994, p.748.

2. I.M.Datsko, A.A.Kim, A.V.Fedunin, A.V.Shishlov, M.O.Koshevoi, D.A.Fedin "Spectral and Temperature Measurements of Gas-Puff Z-pinch Plasma", 36 Annual Meeting of the Division of Plasma Physics, Minneapolis, 1994, Bull. Am. Phys. Soc., vol.39, No.7, p. 1557.

3. A.V.Shishlov, R.B.Baksht, I.M.Datsko, A.A.Kim, A.Yu.Labetsky, S.V.Loginov, V.I.Oreshkin, A.G.Russkikh, A.V.Fedunin "Rayleigh-Taylor instability and K-radiation yield in the implosion of the gaspuffs" Book of Abstracts. IV Int. Conf. "Zababakhin Scientific Talks", Chelybinsk-70 (Snezinsk), 1995, p.133.

4. Р.Б.Бакшт, И.М.Дацко, А.А.Ким, А.ЮЛабецкий, С.В.Логинов, В.И.Орешкин, А.Г.Русских, А.В.Федюнин, А.В.Шишлов "Рэлей-Тейлоровская неустойчивость и выход К-излучения при сжатии газовых лайнеров" - Физика плазмы, том 21, № 11, 1995, с. 959-965.

5. Р.Б.Бакшт, И.М.Дацко, В.И.Орешкин, А.Г.Русских, А.В.Федюнин, А.В.Шишлов, М.О.Кошевой, А.А.Рупасов, Д.А.Федин, А.В.Шиканов "Сравнительный анализ излучательных характеристик одно- и двухкаскадных лайнеров" - Физика плазмы, т.22, №7, 1996, с. 622-628.

6. А.В.Шишлов "Определение эффективного сопротивления плазменного прерывателя тока" - ПТЭ, №1, 1997, с.89-91.

7. Р.Б.Бакшт, А.ЮЛабецкий, С.ВЛогинов, В.И.Орешкин, А.В.Федюнин, А.В.Шишлов "Комбинированный z-пинч: многопроволочный лайнер с внешней газовой оболочкой", Физика плазмы, т.23, №2, 1997, стр. 135-141.

8. A.Chuvatin, P.Choi, C.Dumitrescu, B.Etlisher, S.Semushin, M.Vie, F.Bayol, A.Morell, R.B.Baksht, A.A.Kim, A.N.Bastrikov, I.M.Datsko, A.V.Fedunin, V.I.Kokshenev, B.M.Kovalchuk, S.V.Loginov, A.G.Russkikh, A.V.Shishlov "Spatial and Temporal Evolution of High-Energy Density Plasmas in the Composite Pinch on GIT-4 Generator", IEEE Trans. Plasma Sci., vol.25, No.2, April 1997, pp. 196-204.

9. R.B.Baksht, A.Yu.Labetsky, A.G.Russkikh, A.V.Fedunin, A.V.Shishlov "Observation of the bremsstrahlung generation in the process of the Rayleigh-Taylor instability development at gas puff implosion" -Physics of Plasmas, Vol.4, No.9, 1997, pp. 3430-3432.

10. R.B.Baksht, A.V.Fedunin A.Yu.Labetsky, V.I.Oreshkin, A.G.Russkikh, A.V.Shishlov "Stability and K-shell radiation of Z-pinches", IV Int. Conf. On Dense Z-pinches, Vancouver, 1997, AIP Conf. Proc. 409, pp.555-559.

11. R.B.Baksht, A.Yu.Labetsky, A.G.Russkikh, A.V.Shishlov "Influence of preionization on dynamics of a gas puff implosion", IV Int. Conf. On Dense Z-pinches, Vancouver, 1997, AIP Conf. Proc. 409, pp.307-310.

12. A.V.Shishlov, R.B.Baksht, A.Yu.Labetsky, V.I.Oreshkin, A.G.Russkikh, A.V.Fedunin "Gas-puff implosion and Rayleigh-Taylor instability", V Int. Conf. "Zababakhin Scientific Talks", Snezinsk, 1998.

13. R.B.Baksht, A.V.Fedunin. A.Yu.Labetsky, A.G.Russkikh, A.V.Shishlov, O.V.Diyankov, I.V.GIazyrin, S.V.Koshelev "On Stabilization of Gas Puff Implosion: Experiment and Simulation", IEEE Trans. Plasma Sci., vol.26, No.4, 1998, pp. 1259-1266.

14. А.Г.Русских, Р.Б.Бакшт, А.Ю.Лабецкий, А.В.Федюнин, А.В.Шишлов "Исследование влияния предыонизации на динамику сжатия одно- и двухкаскадного Аг лайнера", Физика плазмы, т.25, №7, 1999, стр.579-592.

15. A.V.Shishlov, R.B.Baksht, A.V.Fedunin, B.M.Kovalchuk, V.A.Kokshenev, A.Yu.Labetsky, V.I.Oreshkin, A.G.Russkikh "Results of structured load implosion experiments and its comparison with simulation", 26 Int. Conf. on Plasma Sci., Monterey, 1999, IEEE Conf. Record - Abstracts, IEEE Cat. No.99CH36297, p.299.

16. V.I.Oreshkin, A.V.Shishlov "Simulation of imploding z-pinch loads with quasi two-dimentional mosedels", 26 Int. Conf. on Plasma Sci., Monterey, 1999, IEEE Conf. Record - Abstracts, IEEE Cat. No.99CH36297, p.299.

17. В.И.Орешкин, А.В.Шишлов "Моделирование выхода мягкого рентгеновского излучения плазменных лайнеров на основе 2D snow-plow модели", Изв. ВУЗов. Физика., т.42, №12, 1999, стр.6171.

18. A.V.Shishlov, R.B.Baksht. A.V.Fedunin, F.I.Fursov, B.M.Kovalchuk, V.A.Kokshenev, N.E.Kurmaev, A.Yu.Labetsky, V.I.Oreshkin, A.G.Russkikh, A.Fisher, B.Moosman, B.V.Weber "Long time implosion experiments with double gas puffs", Phys.PIasmas, vol.7, No.4, 2000, pp. 1252-1262.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ПОДАВЛЕНИЯ РЕЛЕЙ-ТЕЙЛОРОВСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ

1.1. Влияние Релей-Тейлоровской неустойчивости на динамику сжатия и выход излучения лайнеров

1.2. Стабилизация имплозии лайнера с помощью магнитного поля

1.3. Стабилизация за счет механизма снежного плуга

1.4. Лайнеры со структурированным профилем плотности

1.5. Постановка задачи

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА

2.1. Генератор ГИТ

2.2. Определение эффективного сопротивления ППТ

2.3. Генератор ГИТ

2.4. Клапан для создания газового лайнера

2.5. Диагностическое оборудование

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ РЕЛЕЙ-ТЕЙЛОРОВСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ НА ДИНАМИКУ СЖАТИЯ И ВЫХОД ИЗЛУЧЕНИЯ ОДИНОЧНЫХ ЛАЙНЕРОВ

3.1. Эксперименты с аргоновым лайнером с начальным радиусом 1.4 см

3.2. Эксперименты с аргоновым лайнером с начальным радиусом 3 и 4 см

3.3 Эксперименты с неоновым лайнером на генераторе ГИТ

3.4 Выводы

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ДВУХКАСКАДНОГО ЛАЙНЕРА ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ИМПЛОЗИИ И ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В К-ЛИНИЯХ

4.1. Эксперименты с двойным аргоновым лайнером на генераторе ГИТ

4.2. Эксперименты с двойным аргоновым лайнером на генераторе ГИТпри временах имплозии 230-340 не

4.2.1. Эксперименты с одиночным лайнером

4.2.2. Эксперименты с двойными лайнерами

4.2.3. Спектральные измерения

4.3. Анализ и сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования

4.3.1. Двумерная модель снежного плуга

4.3.2. Сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования

4.4 Выводы

Имплозия легких лайнеров является объектом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований на протяжении последних двадцати лет [1].

Обычно лайнер представляет собой полую цилиндрическую оболочку. Через оболочку пропускают импульс тока с амплитудой от сотен килоампер до десятков мегаампер. Под действием магнитного поля вещество оболочки ускоряется к оси симметрии системы. При схлопывании оболочки на оси происходит преобразование приобретенной в результате ускорения кинетической энергии во внутреннюю энергию вещества. Таким образом, на оси образуется столб плазмы (z-пинч) с плотностью электронов 1019ч-102° см"3 и температурой от сотен до тысяч электрон-вольт. В экспериментах используются различные типы лайнеров. Оболочка может быть сформирована с помощью каскада проволочек [2,3], полой газовой струи [4], тонкой фольги [5] или специальной пены (агар-агар) [6] с различными добавками.

Интерес к исследованию лайнеров объясняется возможностью их практического применения. Z-пинч был одним из первых кандидатов для нагрева дейтерий-тритиевой смеси до условий, в которых возможно протекание реакции термоядерного синтеза. Исследование возможности решения проблемы термоядерного синтеза с применением лайнерных систем продолжается и в настоящее время (динамический холраум [7], ступенчатый z-пинч [8]). Сжатие лайнером магнитного поля используется для получения импульсных сверхсильных магнитных полей [9], плазма z-пинча может служить активной средой либо источником накачки рентгеновского лазера [10]. Одним из важных приложений имплозии лайнеров на сегодняшний день является также получение мощных импульсов рентгеновского излучения. При этом особый интерес представляет генерация излучения в К-линиях вещества лайнера с энергией квантов более 1 кэВ.

Релей-Тейлоровская неустойчивость, развивающаяся в процессе ускорения плазменной оболочки, приводит к нарушениям однородности финального плазменного столба. В ряде теоретических работ отмечалось, что развитие неустойчивости может привести к снижению эффективности генерации излучения в К-линиях особенно при имплозии лайнеров с больших начальных радиусов и при больших временах имплозии. С другой стороны было бы желательно сохранить уровень стабильности лайнера, обеспечивающий эффективную генерацию излучения в К-линиях, при больших (порядка 200-300 не) временах имплозии. Это позволило бы использовать генераторы, обеспечивающие меньшую скорость нарастания тока в нагрузке, а значит более простые в конструктивном исполнении и более дешевые, в качестве драйвера Z-пинча. Перспективным с точки зрения стабилизации процесса имплозии является применение нагрузок со структурированным профилем плотности, например двухкаскадного лайнера или лайнера в виде сплошного газового столба. В 1994 году, когда была начата данная работа, вопрос о степени влияния Релей-Тейлоровской неустойчивости на выход излучения в К-линиях и эффективности использования структурированных нагрузок для генерации излучения в К-линиях не был исследован экспериментально.

Целью настоящей работы являлось: 1) исследование влияния Релей-Тейлоровской неустойчивости на динамику сжатия и выход излучения1 в К-линиях при имплозии одиночных лайнеров; 2) исследование возможности стабилизации имплозии с использованием двухкаскадного лайнера; 3) исследование эффективности генерации излучения в К-линиях при имплозии двухкаскадного лайнера; 4) оптимизация параметров двухкаскадного лайнера для обеспечения эффективной генерации излучения в К-линиях.

1 Под выходом излучения понимается полная излученная за импульс энергия в данном спектральном диапазоне.

Положения, выносимые на защиту:

1. При сжатии с одного и того же начального радиуса лайнеры с большей массой являются более устойчивыми в отношении развития Релей-Тейлоровской неустойчивости.

2. Развитие Релей-Тейлоровской неустойчивости в процессе имплозии лайнера приводит к уменьшению выхода и мощности излучения в К-линиях вещества лайнера, причем тем сильнее, чем больше начальный радиус лайнера. При увеличении начального радиуса лайнера снижение мощности излучения в К-линиях происходит быстрее, чем снижение выхода излучения.

3. Влияние Релей-Тейлоровской неустойчивости на выход и мощность излучения в К-линиях проявляется гораздо сильнее и при меньших начальных радиусах лайнера, если выход излучения в К-линиях много меньше кинетической энергии лайнера.

4. Использование нагрузки в виде двухкаскадного лайнера позволяет улучшить стабильность имплозии и однородность финального плазменного столба, причем стабилизация становится эффективной при соотношении массы внутренней оболочки к массе внешней оболочки больше единицы, что позволяет осуществлять эффективную генерацию излучения в К-линиях при временах имплозии вплоть до 300 не.

5. При имплозии двухкаскадного лайнера основной вклад в излучение в К-линиях дает вещество внутреннего лайнера.

Научная новизна: 1) впервые экспериментально показано, что лайнеры с большей массой являются более устойчивыми в отношении развития Релей-Тейлоровской неустойчивости; 2) впервые экспериментально показано, что переход к имплозии лайнеров с большим начальным радиусом приводит к резкому снижению мощности и выхода излучения в К-линиях; 3) впервые экспериментально показано, что использование двухкаскадного лайнера позволяет получить эффективную генерацию излучения в К-линиях при временах имплозии порядка 300 не.

Апробация результатов. Результаты, представленные в диссертационной работе, были доложены автором на IV и V Международной конференции "Забабахинские научные чтения" (г.Снежинск, 1995, 1998), IV Международной конференции по плотным Z-пинчам (г.Ванкувер, Канада, 1997), 26 Международной конференции по физике плазмы (г.Монтерей, США, 1999). Результаты были также представлены на 10 и 11 Международной конференции по высокоэнергетичным пучкам (г.Сан-Диего, США, 1994; г.Прага, Чехия, 1996), 36 ежегодной конференции отделения физики плазмы Американского физического общества (г.Миннеаполис, США, 1994), 12 Международной конференции по импульсной техники (г.Монтерей, США, 1999).

Структура и объем работы. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 статьях и 8 материалах конференций.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем 107 страниц машинописного текста (шрифт "Times New Roman, 14 пт."), 39 рисунков, 7 таблиц и 69 наименований в списке литературы.

4.4 Выводы

Результаты экспериментов по имплозии двухкаскадных лайнеров на установках ГИТ-4 и ГИТ-12, их анализ и сравнение с результатами моделирования динамики имплозии с помощью двумерной модели снежного плуга позволяют сделать следующие выводы:

1. Использование нагрузки в виде двухкаскадного лайнера позволяет улучшить стабильность имплозии и однородность финального плазменного столба.

2. Эффективность стабилизации зависит от соотношения масс внутренней и внешней оболочки двухкаскадного лайнера. Стабилизация эффективна при соотношении масс оболочек больше единицы.

3. При имплозии двухкаскадного лайнера основной вклад в излучение в К-линиях дает вещество внутреннего лайнера.

4. Использование двухкаскадного лайнера с соотношением масс порядка единицы позволяет осуществлять эффективную генерацию излучения в К-линиях при временах имплозии порядка 300 нс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена исследованию влияния Релей-Тейлоровской неустойчивости на выход излучения в К-линиях вещества лайнера. Актуальность исследований определяется возможностью использования легких лайнеров в качестве мощных источников излучения с энергией квантов 1 кэВ и выше. Решение проблемы стабилизации имплозии лайнера и получения однородного финального плазменного столба при временах имплозии порядка 200-300 не позволяет использовать в качестве драйвера для имплозии пинча более медленные, а значит и более дешевые генераторы тока.

Экспериментальная работа проводилась на генераторах тока ГИТ-4 и ГИТ-12 на уровнях тока 1.5-1.6 МА и 2.2-2.4 МА, соответственно. Влияние Релей-Тейлоровской неустойчивости на выход излучения исследовалось в экспериментах с однокаскадными газовыми лайнерами с различными начальными радиусами. Для стабилизации имплозии и получения однородного пинча при временах имплозии порядка 200-300 не использовалась структурированная нагрузка в виде двухкаскадного лайнера. Результаты экспериментов анализировались и сравнивались с результатами численного моделирования динамики сжатия и выхода излучения в К-линиях вещества.

Наиболее существенные результаты и выводы, содержащиеся в диссертации:

1. При сжатии с одного и того же начального радиуса лайнеры с большей массой являются более устойчивыми в отношении развития Релей-Тейлоровской неустойчивости.

2. Развитие Релей-Тейлоровской неустойчивости в процессе имплозии лайнера приводит к уменьшению выхода и мощности излучения в К-линиях вещества лайнера. Снижение выхода и мощности излучения тем сильнее, чем больше начальный радиус лайнера, то есть, чем больше путь, проходимый оболочкой, и время имплозии. При увеличении начального радиуса лайнера снижение мощности излучения в К-линиях происходит быстрее, чем снижение выхода излучения.

3. Влияние Релей-Тейлоровской неустойчивости на выход и мощность излучения в К-линиях проявляется гораздо сильнее и при меньших начальных радиусах и временах имплозии лайнера, если генерация излучения осуществляется в слабом эмиссионном режиме.

4. Использование структурированной нагрузки в виде двухкаскадного лайнера позволяет улучшить стабильность имплозии и однородность финального плазменного столба.

5. Эффективность стабилизации зависит от соотношения масс внутренней и внешней оболочки двухкаскадного лайнера. Стабилизация эффективна при соотношении массы внутренней оболочки к массе внешней оболочки больше единицы.

6. При имплозии двухкаскадного лайнера основной вклад в излучение в К-линиях дает вещество внутреннего лайнера.

7. Использование двухкаскадного лайнера с соотношением масс порядка единицы позволяет осуществлять эффективную генерацию излучения в К-линиях при временах имплозии порядка 300 нс.

8. Максимальный выход излучения в К-линиях аргона, зарегистрированный в экспериментах с двухкаскадным лайнером на генераторе ГИТ-12 на уровне тока 2.2-2.3 МА при временах имплозии порядка 300 нс, составляет 740 Дж/см при мощности излучения 220 ГВт/см.

Автор выражает искреннюю благодарность Р.Б.Бакшт за научное руководство, А.В.Федюнину, А.Г.Русских и А.Ю.Лабецкому за помощь в проведении экспериментов, В.И.Орешкину за помощь в проведении численного моделирования и полезные рекомендации при обсуждении данной работы, а так же Б.М Ковальчуку и всему персоналу установок ГИТ-4 и ГИТ-12 за обеспечение бесперебойной работы установок и активную помощь во время проведения экспериментов.

Автор благодарит Институт "Открытое общество. Фонд содействия" и Министерство Науки и Технологий Российской Федерации за оказанную ему персональную финансовую поддержку.

1. N.R.Pereira, J.Davis "X-rays from z-pinches on relativistic electron-beam generators", J. Appl. Phys. vol. 64, No.3, 1988, pp.Rl-R27.

2. И.К.Айвазов, М.Б.Бехтев, В.В.Булан, А.Н.Булатов, В.Д.Вихарев, Г.С.Волков,

3. E.В.Грабовский, В.П.Гигиберия, В.В.Заживихин, В.И.Зайцев, С.В.Захаров, В.П.Зотов, Е.В.Знатнов, С.А.Комаров, Р.С.Конкашбаева, А.В.Корташов,

4. A.П.Кострамин, А.И.Красильников, Ю.Н.Лузин, В.В.Макаров,

5. C.Deeney, P.D.LePell, F.L.Cochran, M.C.Coulter, K.G.Whitney, J.Davis "Argon gas puff inplosion experiments and two-dimensional modeling" Phys.Fluids B, vol.5, No.3, 1993, pp.992-1001.

6. J.C.Cochrane, R.R.Bartsch, J.F.Benage, P.R.Forman, R.F.Gribble, M.Y.P.Hockaday, R.G.Hockaday, L.S.Ladish, H.Oona, J.V.Parker, J.S.Shlachter,

7. F.J.Wysocki "Direct drive foil implosion experiments on Pegasus П", III Int. Conf. on Dense Z-pinches, London, 1993 (AIP Conf. Proc. 299, Woodbury, 1993), pp.381387.

8. F.J.Wessel, B.Moosman, N.Rostoker, Y.Song, A.Van Drie, P.Nay, H.U.Rahman "UCI staged Z-pinch facility", IV Int. Conf. on Dense Z-pinches, Vancouver, 1997 (AIP Conf. Proc. 409, Woodbury, 1997), pp.39-45.

9. J.P.Chittenden, M.Michaelis, S.N.Bland, M.D.Eaton, J.F.Worley "Cappillary x-ray laser research", IV Int. Conf. on Dense Z-pinches, Vancouver, 1997 (AIP Conf. Proc. 409, Woodbury, 1997), pp.349-352.

10. K.G.Whitney, J.W.Thornhill, J.P.Apruzese, J.Davis "Basic consideration for scaling Z-pinch x-ray emission with atomic number", J.Appl.Phys. vol.67, No.4, 1990, pp.1725-1735.

11. D.Mosher, N.Oi, M.Krishnan "A two-level model for K-shell radiation scaling of the imploding z-pinch plasma radiation source", IEEE Trans. Plasma Sci., vol.26, No.3, 1998, pp. 1052-1061.

12. E.G.Harris "Rayleigh-Taylor instabilities of a collapsing cylindrical shell in a magnetic field", Phys.Fluids, vol.5, No.9, pp.1057-1062, 1962.

13. А.Б.Будько, А.Л.Великович, М.А.Либерман, Ф.С.Фелбер "Рост Рэлей-Тейлоровских и объемных конвективных неустойчивостей в динамике плазменных лайнеров и пинчей", ЖЭТФ, т.96, вып.1, 1989, стр. 140-162.

14. В.Е.Голант, А.П.Жилинский, И.Е.Сахаров "Основы физики плазмы", М., Атомиздат, 1977.

15. Р.Б.Бакшт, А.Л.Великович, Б.А.Кабламбаев, М.А.Либерман, А.В.Лучинский, Н.А.Ратахин "Исследование сжатия плазменных оболочек с вмороженным магнитным полем", ЖТФ, т.57, вып.2, 1987, стр.242-246.

16. F.J.Wessel, F.S.Felber, N.C.Wild, H.U.Rahman, A.Fisher, E.Ruden "Generation of high magnetic fields using a gas-puff Z pinch", J.Appl.Phys.Lett. vol.48, No. 17, 1986, pp.1119-1121.

17. F.S.Felber, F.J.Wessel, N.C.Wild, H.U.Rahman, A.Fisher, C.M.Fowler, M.A.Liberman, A.L.Velikovich "Ultrahigh magnetic fields produced in a gas-puff Z pinch", J.Appl.Phys. vol.64, No.8, 1988, pp.3831-3844.

18. R.K.Appartaim, A.E.Dangor "Generation of large magnetic fields in a z-pinch", III Int. Conf. on Dense Z-pinches, London, 1993 (AIP Conf. Proc. 299, Woodbury, 1993), pp.653-660.

19. А.В.Лучинский, Н.А.Ратахин, С.А.Сорокин, С.А.Чайковский "Получение мегагаусных магнитных полей сжатием газовых лайнеров", Письма в ЖТФ, т.15, вып. 18, 1989, стр.83-86.

20. S.A.Sorokin, S.A.Chaikovsky "Implosion of gas-puff liners with an initial axial magnetic field", II Int. Conf. on Dense Z-pinches, Laguna Beach, 1989 (AIP Conf. Proc. 195, Woodbury, 1989), pp.438-444.

21. С.А.Сорокин, А.В.Хачатурян, С.А.Чайковский "Экспериментальное исследование устойчивости сжатия полых плазменных лайнеров с начальным аксиальным магнитным полем", Физика плазмы, т. 17, вып. 12, 1991, стр. 14531458.

22. С.А.Сорокин, С.А.Чайковский "Получение высоких степеней устойчивого радиального сжатия плазменных лайнеров", Физика плазмы, т.19, вып.7, 1993, стр.856-865.

23. S.A.Sorokin, S.A.Chaikovsky "Imploding liner stabilization on the SNOP-3 generator", III Int. Conf. on Dense Z-pinches, London, 1993 (AIP Conf. Proc. 299, Woodbury, 1993), pp.83-92.

24. S.A.Chaikovsky, S.A.Sorokin "Density, temperature and size of a plasma produced in single and double shell liner implosions", IV Int. Conf. on Dense Z-pinches, Vancouver, 1997 (AIP Conf. Proc. 409, Woodbury, 1997), pp.323-327.

25. S.A.Sorokin, S.A.Chaikovsky "K-shell radiation power and yield from double shell plasma liner implosions", IV Int. Conf. on Dense Z-pinches, Vancouver, 1997 (AIP Conf. Proc. 409, Woodbury, 1997), pp.593-596.

26. S.A.Sorokin, S.A.Chaikovsky "Double shell liner implosions", IV Int. Conf. on Dense Z-pinches, Vancouver, 1997 (AIP Conf. Proc. 409, Woodbury, 1997), pp.597600.

27. В.И.Орешкин "Имплозия плазменных лайнеров в присутствии аксиального магнитного поля", Известия ВУЗов. Физика., том.38, №12, 1995, стр.6-15.

28. S.M.Gol'berg, A.L.Velikovich "Suppression of Rayleigh-Taylor instability by the snowplow mechanism", Phys. Fluids B, vol.5, No.4, 1993, pp.1164-1172.

29. S.M.Gol'berg, A.L.Velikovich "Snowplow mechanism and stability of imploding multicascade liner systems", III Int. Conf. on Dense Z-pinches, London, 1993 (AIP Conf. Proc. 299, Woodbury, 1993), pp.42-50.

30. A.L.Velikovich, F.L.Cochran, J.Davis, "Suppresion of Rayleigh-Taylor instability in Z-pinch loads with tailored density profiles", Phys. Rev. Lett., vol.77, No.5, 1996, pp.853-856.

31. A.L.Velikovich, F.L.Cochran, J.Davis "Stabilized Z-pinch loads with tailored density profiles", IV Int. Conf. on Dense Z-pinches, Vancouver, 1997 (AIP Conf. Proc. 409, Woodbury, 1997), pp.549-553.

32. A.L.Velikovich, F.L.Cochran, J.Davis, Y.K.Chong "Stabilized radiative Z-pinch loads with tailored density profiles", Phys. Plasmas, vol.5, No.9, 1998, pp.33773388.

33. F.L.Cochran, J.Davis, A.L.Velikovich "Stability and radiative performance of structured Z-pinch loads imploded on high-current pulsed power generators", Phys. Plasmas 2 (7), 1995, pp.2765-2772.

34. N.F.Roderick, T.W.Hussey "Two-dimensional effects in hollow core z-pinches", II Int. Conf. on Dense Z-pinches, Laguna Beach, 1989 (AIP Conf. Proc. 195, Woodbury, 1989), pp.157-166.

35. P.Sincerny, S.Wong, V.Buck "Pulsed compression with an imploding gas puff', Proc. 5th IEEE Pulsed Power Conf., IEEE Cat.№ 85C2121-2, 1985, p.701-703.

36. Р.Б.Бакшт, А.Г.Русских, А.А.Чагин "Исследование роли предыонизации в процессе деления тока между оболочками двухкаскадного лайнера", Физика плазмы, т.23, №3, 1997, стр.195-202.

37. Р.Б.Бакшт, А.В.Федюнин, A.S.Chuvatin, C.Rouaie, B.Etlicher "Электромагнитный клапан для каскадированного лайнера", ПТЭ, №4, 1998, стр.98-100.

38. А.Г.Русских, Р.Б.Бакшт, А.Ю.Лабецкий, А.В.Шишлов, А.В.Федюнин "Исследование влияния предыонизации на динамику сжатия одно- и двухкаскадного Аг лайнера", Физика плазмы, т.25, №7, 1999, стр.579-592.

39. B.V.Weber, G.G.Peterson, S .J.Stephanakis, R.J.Commisso, A.Fisher "Measurement of gas distributions from PRS nozzles", IV Int. Conf. on Dense Z-pinches, Vancouver, 1997 (AIP Conf. Proc. 409, Woodbury, 1997), pp.459-462.

40. G.G.Peterson, A.Fisher "Gas-Flow Model for Gas-Puff Valve and Nozzle Design", Pulsed Power Physics Technote No.96-06 (Naval Research Laboratory, Washingtin, 1996).

41. R.Day, P.Lee, E.B.Saloman, D.J.Nagel "Photoelectric quantum efficienciesand filter window absorption coefficients from 20 eV to 10 keV" J.Appl.Physics, vol.52, No.ll, 1981, pp.6965-6973.

42. B.L.Henke, R.L.Elgin, Adv. in X-ray analysis, No. 13, 1970, p.639-664.

43. R.B.Spielman "A five channel, diamond photoconductong x-ray dtector array for z-pinch experiments", Rev. Sci. Instrum. vol.63, No. 10, 1992, pp.5056-5058.

44. Ю.М.Александров, М.О.Кошевой, А.А.Рупасов и др. Препринт №1, М.: ФИАН СССР, 1991.

45. М.С.Coulter, K.G.Whitney, J.W.Thornhill, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. vol.44, 1990, p.443.

46. R.Smith, W.Dogett, Appl. Phys. Lett. vol. 46, 1985, p.l 128.

47. В.И.Орешкин, Препринт №4. Томск: ИСЭ, 1994.

48. А.Б.Будько, А.Л.Великович, А.И.Клеев и др., ЖЭТФ, т.95, 1989, с.496.

49. В.И.Орешкин, В.В.Лоскутов, "Излучение плазменного алюминиевого столба", Препринт ИСЭ №5, Томск, 1991.

50. В.С.Имшенник, С.М.Осовец, И.В.Отрощенко, "Динамика перетяжек плазменного шнура и электромагнитное ускорение ионов", ЖЭТФ, т.64, 1973, с.2057.

51. V.P.Smirnov, E.V.Grabovsky, S.L.Nedoseev, V.Ya.Tsarfin, V.I.Zaitsev, S.V.Zakharov "Progress in investigations on a dense plasma compression on Angara-5-1", VIII Int. Conf. on High Power Particle Beams, Novosibirsk, 1990, Conf. Proc., pp.61-78.

52. Р.Б.Бакшт, А.В.Лучинский, А.В.Федюнин "Источник мягкого рентгеновского излучения с использованием каскадированного лайнера", Препринт ИСЭ №30, 1990.

53. R.B.Baksht, A.V.Fedunin, A.Yu.Labetsky, A.G.Russkikh, A.V.Shishlov, O.V.Diyankov, I.V.Glazyrin, S.V.Koshelev "On stabilization of gas puff implosion: experiment and simulation", IEEE Trans. Plasma Sci., vol.26, No.4, 1998, pp.12591266.

54. А.Г.Русских "Процесс формирования токового слоя в аргоновом лайнере и его влияние на динамику имплозии", диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н., Томск, 1998.

55. G.Basque, A.Jolas, J.P.Watteau, Phys.Fluids, vol.11, 1968, p. 1384.

56. В.И.Орешкин, А.В.Шишлов "Моделирование выхода мягкого рентгеновского излучения плазменных лайнеров на основе 2D snow-plow модели", Изв. ВУЗов. Физика, т.42, №12, 1999, стр.61-71.

57. J.W.Thornhill, F.L.Cochran, J.Davis, J.P.Apruzese, K.G.Whitney "Decade Quad load performance", IV Int. Conf. on Dense Z-pinches, Vancouver, 1997 (AIP Conf. Proc. 409, Woodbury, 1997), pp. 193-197.

58. E.Ott "Nonlinear evolution of the Rayleigh-Taylor instability of a thin layer", Phys. Rev. Lett., vol.29, No.21, 1972, pp. 1429-1432.

59. M.P.Desjarlais, B.M.Marder "Theory of wire number scaling in wire-array Z pinches", Phys. Plasmas, vol.6, No.5, 1999, pp.2057-2064.

60. H.Sze, A.Fisher, P.Coleman, B.Failor, J.Levine, Y.Song, E.Waisman, F.Cochran, A.Velikovich, J.Davis "Resent argon double shell experiments on Double Eagle", Bull. Am. Phys. Soc., vol.44, No.7, 1999, pp.53.1. ОХ)