Исследование разряда малоиндуктивной вакуумной искры лазерно-оптическими методами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ргь* од

~ 5 дпр 1893 российская академия наук

физическии институт имени лебедева п.н.

На правах рукописи УДК 621.371; 533.9

ПОЛУХИН Сергей Никитич

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРЯДА МАЛОИНДУКТИВНОИ ВАКУУМНОЙ ИСКРЫ ЛАЗЕРНО-ОПТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1993

Р&Оота ¿-лишена в Физическом институте им. П.Н.Лебедева Российской Академии наук.

Научные руководители: кандидат Зизико-мзтоыатических наук

О.Г.Семенов

Официальные оппоненты; доктор физико-математических наук кандидат физико-матоыатических наук

В.Н.Сорокин А.Н.Долгов

Ведущая оргшшзадая: Институт спектроскопии РАН

Защита диссертации состоится 1993 года в $ ^час.

на засэдаши гаюциапизированного Совета К 002.39.01, Физического института им. П.Н.Лебедева РАН (Москва, Лешшкдай проспект, 53) с диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке ФИАН.

Автореферат разослан ч^рКл^Я!?^1993

Ученый се!фэторь спецяалызировванного совета

качдиднт фазкко-математаческих наук ' Чуенков В.А.

о 3.33

V I

V ^

Ч"

\

Ч /

Актуальность темы. Малоиндуктивная вакуумная искра (МЗМ) является одним кз наиболее интересных лабораторных объектом изучения в физике плазми. Сочетая в себе рекордные параметры плазш, достижимые в ¡земных условиях, с простотой конструкции она позволяет проводить исследования по фундаментальным проблеммам совремешой физики: термоядерный синтез и спектроскопия высокоионизоеэнных состояний вещества. Параллельно ведутся работы по практическому применении МВИ„ как источника рентгеновского излучения в литографии „ микроскотта и других областях техники.

Такой интерес к МВИ объясняется открытием в ной нового явления: микропинчевание плазменного шнура, заключающееся в сжатии собственным магнитным полем высокотемпературной плазми (Т>1кэВ) до плотности твердого тола в объеме с характерным размером порядка 10 микрон. Это образование, наблюдаемое на рентгеновских обсхурограммах получило название "плазменная точка" (ПТ).

В настоящее время наиболее полным и непротиворечивым объяснением микропинчевания является гипотеза о радиационном коллапсе плазмы [1]. Однако существует в МВИ ряд явлений, характерных, впрочем для всех г-линчей, которые не имеют однозначного объяснения, например, жесткое рентгеновское излучение разряда, с энергией квантов на порядок превыпавдеэ приложенное к электродам напряжение. И в целом динамика разряда МВИ изучена еще довольно слабо, особенно ее начальная фаза, в которой складываются предпосылки образования ПТ. Главным образом это связано с использованием в основном спектроскопических методов исследования МВИ, не позволяющие восстановить полную картину разряда.

г

В 4иЗич2сН£М Институте им.Лебедева традиционно широко развиты лазерно-оптическиэ методы исследования плазмы, способные визуализировать динамику разряда от его начала и до развала-плазменного шнура. Кроме того, МВИ, как простой источник высокотемпературной и плотной плазмы является доступным прибором для отработки новых лазерных диагностик, которые могут найти применение в термоядерных исследованиях на мойных и дорогих установках. В первую очередь имеется в виду измерение магнитных полей в плазие разряда по эффекту Фарадея, регистрируемому с ■ покощью зондирующего лазерного пучка. Необходимость таких измерений для г-шнчвЕ всегда была велика и в той или иной мере она удовлетворялась применением магнитных зондов. Однако с их помощью практически невозможно изучать кульминационную стадию сжатия плазменного столба . Лазерная фарадеевская диагностика в случав прозрачности плазмы разряда позволяет проводить такие исследования. Описанные выше обстоятельства явились главными причинами проведения изложенной ниже работа, в которой МВИ выступает и как объект исследования и как инструмент изучения . возможностей новой для г-пинчей лазерной диагностики плазмы. Цель работы. Целью данной работы является исследование разряда малоиндуктивной вакуумной искры лазерно-оптическими методами с измерением главных характеристик плазмы: радиальных распределений электронной плотности, магнитного поля, плотности тока в плазменном шнуре разряда в различные моменты времени на различных расстояниях от электродов с целью представления полной картины динамики разряда от начала протекания тока и до стадии разрыва плазменного столба.

В методологическом плане целью работы являлось разработка,

испытание и совершенствование новой огшпеской диагностики магнитных шлей в плазме по эффекту Сарадея для ее применения на установках типа г-гашч. Научная новизна работы состоит в следуицзм:

1. Впервые для г-пинчевых установок измерены в пнуре плаз?лг радиальные распределения магнитного поля и плотности тока за один разряд.

2. Впервые для исследования динвмики разряда вакуумной искры использовап набор современных лазерно-оптических методик, включая интерферометрию и фарадеемэтрию.

3. С помощью полученных экспериментальных данных выявлены причины существования двух областей генерации плазменных точек а вакуумной искре.

4. Обнаружено явление скольжения перетяжки плазменного столба вблизи анода.

5. Обнаружены конусообразные структуры плазмн пониженной . плотности на стадии распада плазменного шнура.

Научная и практическая ценность работы

1. Для исследования г-пинчевых установок создан к апробирован диагностический комплекс для измерения распределения магнитных полей в плазме разряда.

2. Показано, что погрешность измерения с помощью фарадоенотрии полного тока, протекающего через плазмэнннй шпур значительно меньше известных спектрометрических методов и сравнима с погрешностью магнитных зондовых измерений. В отличии от после-даих фарадееметрия не искажает процессов нротекаияя тока.

riUHCi аричины существований двух областей генерации низменны;, i jmok в вакуумной искре.

Автор выносит на защиту следующие основные результаты:

1. Оригинальнъгй интерферометрический поляриметр, являшийся основой диагностического комплекса.

2. ¡Методику обработки экспериментальных данных.

3. Экспериментальные результаты измерений для различных моментов времени радиальных распределений: электронной плотности плазмы, магнитного поля внутри плазменного шнура, плотности тока, электронной дрейфовой скорости.

А. Обоснование существования двух областей генерации плазменных точек.

Апробация работа. Основные результаты диссертации обсуждались на научных -селянарах Физического института РАН, Института общей физики РАН, Института спектроскопии РАН, докладывались на Всесоюзной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород 1989т); на Втором всесоюзном семинаре по физике быстропротекакзщих плезменных процессов (Гродно 1989г); на 5-ом Всосошном совещании по диагностике высокотемпературной плазмы (Минск I9S0r); на 1-ой Международной школе молодых ученых по УТС (Нарва 1990г). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ [2-6]. Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, ■заключения и библиографии. Диссертация изложена на 150 страницах, содержит 43 рисунка и список литературы из 76 наименований.

Краткое содержание работы. Во введат» обоснован выбор направления исследований и приведено

о

краткое содеркание диссертации.

В Глэво 1,§1 сделан обзор литературных данных по мотодш«)м измерения магнитных полой в плазме сильноточных импульсзлг. разрядов, приведены сравнительные характеристики диагност:;;-:. Особое внимание обращено на работа по фэрадеевским измерениям магнитных полей в г-ппнчах, анализируются схож проваденил экспериментов. В §2 приведен обзор работ по исследовании диначжа: разряда вакуумной искры.

Во второй главе анализируются различные еффекш изменен:);-: поляризации зондирующего излучения в плазм 7,-пи1л<с,л\ Коттона-Мутона, Фарадея, влияние градиентов температура, плотности. Па основа приведенных расчетов делается г:г;о • с домшшрованик эффекта Фарадел в шазмо г-птпей з шире:«;'' диапазоне величал тока п плотности плазмы практически со всг;у сочегога плазменного столба.

Глава 3 поевкяена описанию диагностического комплекса, пропэдзии.ч э:ссяорпз'.онтэ и обработка получоншх. рззультпх;'.-,. нзддош к главо ^олпото:; юстзповха эядачл ыссдарк^зну?. г приводится краткое содержат:* глав:;. В §2 оппезка схепа дпоп:ост1гчес::ого комплекса, состоящего ш рубагавого лаг/гг-модулфовянпел дсб;эогкос'1л,. с пат спнгрондзац:-::.

1шторсоро?:отр',псс,гогэ паяясхмэтрэ, «апатпо.1 зоагепо:*. дагаоо";::. :: е>:нтгонпг,скс:- ¡сй:.'зг/г сОзкури. Г.ратг.с) с х^.с.йс:. ус и: :."-.'.•: ■"члощшктив^о;"; г;-,куу:г:с.ч 1!а'г;;„ 3 £3 опссгла г г ■

уг.чи ппс/титл пласг-осз;: гзллр^зешгг ^о^дкру^Зп ъсилж л лг::.::.-"0х' !'г,: по".'? 1"\>к;,')л.> суе/г-: я;>' л- иису/мг:- \ у го.': г-т^--

калиброво 1,ьс>.1 кривой - этому посвящен четвертый параграф главы. В пятом параграфе рассмотрены численные методы решения уравнения Абеля. Система из двух таких уравнений лежит в основе компьютерной обработки данных. Из-за сложности задачи решено ограничиться• наиболее простыми численными средствами решения абелевского уравнения - методом ступенчатой аппроксимации. Здесь не описывается и созданная в результате программа обработки, написанная на языке Бейсик для хви-совместимого компьютера. В §5 рассмотрены вопросы определения погрешности измерения магнитного поля в плазме разряда и производных от него величин. Задача разбита на три части. В первой (§5.1) делаются оценки влияния других (помимо эффекта Фарадея) механизмов изменения поляризации зондирующей волны в плазме г-пинча. Во второй части (§5.2) определяется аппаратная погрешность измерения угла поворота плоскости поляризации. В третьей части (§5.3) рассмотрена погрешность численной обработки данных и приведены результаты численного моделирования эксперимента, необходимого для определения точности измерений' магнитного ноля. На основании .полученных данных выбрана простая аналитическая оценка погрешности. Как и предполагалось, наибольшая погрешность измерения магнитного поля (порядка самой величины) возникает на периферии плазменного столба, где мала плотность плазма и соответственно мал угол поворота плоскости поляризации. С другой стороны в этой области применима простая магнитная зондовая диагностика. Поэтому делается выеод о совместимости и взаимодополняемости этих двух диагностик, подтвержденный впоследствии экспериментально.

Четвертая глава посвящена описанию экспериментальных

результатов. Разряд зондировался лазерным лучен через 100нс от начала протекания тока вакуумной искри и до момента развала плазменного шнура в районе 600-700нс. Прослежено образование, расширение и смыкание прианодного и прикатодного облака. Обнаружено скольжение токового слоя вдоль поверхности анода. Сопоставление интерферогрэмм и рентгеновских обскурограмм разряда указывает на существование двух механизмов образования перетякек в вакумной искре. Первый из них обусловлен существованием минимума погонной плотности плазмы, второй, менее изучений в г-пинчевых разрядах, связан со скольжением прианоднного слоя плазмы.

На стадии развала плазменного шнура на некоторых интерферограммах ниже области разрыва обнаружены конусообразные структуры с характерным размером порядка 1мм и пониженой в сравнении с окружающей электронной плотностью плазмы.

Фарадеевские измерения проводились в диапазоне 200-400нс: ранее измеряемый поворот плоскости поляризации находился на уровне шумов, позднее плазменный столб становился непрозрачным. В Э'/ом временном интервале измерены и построены радиальные распределения электронной плотности плазмы, магнитного поля, плотности тока и электронной дрейфозой скорости. Обнаружено, что кривая электронной плотности плазмы для различных сечений вдоль оси разряда имеет в большинстве случаев колоколообразный вид, ток распределен равномерно по объему пинча. Показания полного тока разряда (50-100КА), зарегистрированного зондовой и фарадеевской методикой совпадают между собой с 15-20$-ой точностью.

В пятой главе проводится обсуждение результатов эксперимента по двум направлениям: на основе получешх экспериментальных данных

предлагается описание физической картины начальной стадии разряда, предшествующей микропинчеванюо шнура вакуумной искры (§1), и, во-вторых дан анализ результатов, испытания диагностического комплекса (§2).

В 51 представлена следующая схема развития разряда: впрыск

облака триггерной плазма, образование вакуумного диода с

плазменным катодом, перенос тока электронны?.! потоком. Для

начальных параметров разряда ток штока в вакуума, но может

превышать 20А (закон "3/2"). Дальнейший рост тока обусловлен

зарядовой компенсацией потока плазмой разряда. Предполагаете!,,

что передний фронт сигнала производной тока появляется ш

достижении плотности плазма в межэлектродном промежутке порядка TT Т? -Ч

ICr -10 *"см . Рассматриваются источники плазмы на началшсГ. стадии разряда: впрыск триггерной плазмы, ионизация остаточного газа в можэлектродном промежутке, ионизация испаренного ввщестьа анода.

По мэро роста тока рассмотрена возможности развития пучков:-, н-эустойчизостей в плазма разряда: пирсовашл к дьухлотоковг;-:1 неустойчивости. Предполагается, что они являются прглпше;'; хаотического поведения кривой производной тока в порвыа Ю-20::о от начала разряда, В это время начинает работать меха:ü; запирания тока собственным магнаты^ полема результате этого ъ районе t-bttio (ток -10кА) долглю произойти ейшта лоептелзй тс,.:..' от ускорительных электронов нрикаюдаого облака kü vo taumpxv ооразоаавдэгосл плазменного сто.во:.,

L luriup^'b^f' UIC0:/c un^.-.'iOj ¡¿¿'л .. гр.тг^и);, ;

расширение плазменного, столба сменяется сжатием, для ошолж-этой стадии разряда используется известная модель снежного плуга [7]. Подстановка з решение уравнения модели экспериментально найденых величин начальной погонной плотности плазма и рпдауся плазменного столба позволило определить . время его сжатия га0,6мкс, что совпадает с экспериментально зарегистрированной величиной. На интерферограммах разряда наблюдалось на фоне общего снатия столба опережающее развитие перетяжек а такие аксиальное движение плазмы из них. В модели этот процесс учитывался введением переменной по времени погонной массы столоэ. В результате расчитано, что перетяжка достигает оси приблизительно на 100нс раньше остановки плазменного столба - это подтверждает« в эксперименте. Здесь же обсуждается влияние остаточной плазмы нэ процессы микрогшнчевания плазмы в перетяжке.

При сжатии плазменного столба до радиуса г-1мм магнитное давление сравнивается с газо-кинетическим, пренебрегаемым ь модели снежного плуга. Дальнейший анализ динамики разряда основывается на соотношении Венета и модели радиационного коллапса [I]. В частности показано удовлетворительное соответствие экспериментально найденой температуры плазмы, погонной плотности и радиуса пинча для начальной стад/и коллапса с выводами данной модели.

Далее б глаЕе приводится новое объяснение обнаруженного в [8] существования в вакуумной искре двух областей генерации плазменных точек. Существование одной области связывается * образованием вблизи анода перетяжки и ее скольжением вдоль поверхности анода. Существование втсрой области обязано образованию минимума погонной плотности плазмы приблизительно

и

посередино межэлектродного промежутка в месте смыкания прианодпого и прикатодного облака плазмы.

Отдельно в параграфе рассматривается явлоние . скольжение перетяжки вдоль поверхности анода вакуумной искры. Сравнивается с аналогичными процессами в плазменном фокусе и плазменных компрессорах. В конца параграфа обсуждаются причины возникновения конусообразных структур плазмы ниже области развала плазменного столба» Предполагается, что эти структуры являются местом релаксации электронного пучка.

В §2 этой глава проводится обсувдэнио результатов испытания диагностического комплекса. Основное внимание обращено на фарадэевскую диагностику, являвшаяся его частью, поскольку другие методики традкционны для г-пинчевых разрядов.

Проведенные испытания показали главное преимущество фарадееметрии: возможность регистрации пространственного распределения магнитных полей в плазме разряда без существенного искажения его параметров, кроме того погрешность измерений оказалась существенно меньше аналогичных спектральных и сравнима, с магнитными зондовыми.

В -то же время отмечается слабое место конкретной схемы поляриметра: сложная пространственная привязка фотоснимков 3-х независимых каналов диагностики; интерфэрометричэского, теневого и фарадеевского. Это влияет на точность измерений и увеличивает время обработки данных. Предлагается к рассмотрению новая схема поляриметра, где два канала (соответственно 2-ой и 3-ий) жестко пространственно связаны - располагаются на одном кадре фотопленки.

Далее обсуждается результаты применения упрощенной процедуры

\г

вычисления усредненного, по оптической длине.в плазме магнитного поля. Показано, что процедура в среднем. • занижает измеряете величины на 10-20%, однако, она позволяет вообще отказаться от компьютерной обработки данных и работать с неаксиально-симметричными случаями разряда. В некоторых конфигурациях разряда к результатам, полученным с помощью этой процедуры нужно относиться с осторожностью.

В конце параграфа уточняются границы метода измерения магнитного поля по эффекту Фарадея для й-готчеЕых разрядов и современного уровня оптической техники. Предлагается простая оценка применимости данного метода - в эксперименте должно выполняться следукиее неравенство: п-1>3-1023, где п характерная

_ГЗ

электронная плотность плазмы [см ], 1-ток разряда [А].

Основные результаты и выводы диссертации заключаются в следуидем:

1. Создан диагностический комплекс для измерения магнитных полей и токов в плазме 2-шшчей. Основой комплекса является оригинальный по схеме интерферометрический поляриметр. Его параметры:

-пространственное разрешение 80мкм

-временное разрешение определяется длительностью импульса зондирующего лазерного излучения 1=1,5нс

-точность измерения углов поворота плоскости поляризации 3-5мин -рабочая аппертура диагностики о=15мм

В состав комплекса входит также импульсный рубиновый, лазер, магнитная зондовая диагностика и рентгеновская камера-обскура.

2. Впервые на й-пинчевых установках получены распределения

магнитного поля и плотности тока по всему сечению плазменного столба за один разряд.

3.Впервые на малоиндуктивной вакуумной искре лазерно-оптическими методами прослежена динамика разряда от его начала и до максимума тока t=I00-600нc. В различных сечениях плазменного столба построены распределения электронной плотности плазмы, магнитного тока а также дрейфовой электронной скорости.

Показано, что в интервале 100-300нс чер;з плазменный столб диаметром 3-5мм протекает практически весь ток разряда, который не скишфован и его распределение по сечению столба однородно.

4. Впервые проведены исследования эволюции перетяжек, образующихся в 2-х областях межэлектродного промежутка. Показано, что образование прикатодной перетяжки происходит в области минимума начальной погонной электронной плотности. Прианодная перетяжка развивается вблизи острия анода, причины ее образования связаны с возникновением здесь максимума магнитного поля на начальной стадии разряда. Обнаружен эффект скольжения границы плазмы вдоль поверхности анода с последующим образованием перетяжки.

5. Вблизи прикатодной перетяжки в плазменном шнуре обнаружены конические образования с пониженной в сравнении с окружающей электронной плотностью плазмы, которые можно объяснить релаксацией в этой области электронных потоков.

1-Вихрев В.В... Иванов В.В., Кошелев К.Н. Формирование и развитие микропинчевой области в вакуумной искре. Физика плазмы 19552, том 8, вып.6, с.1211-1219.

Веретенников В.А..Новикова Т.Ф..Полухин С.Н., Се\<енов О.Г. и

др. Методика измерения фарадеевского вращения в разрядах г.ш;,> z-пинч.Препринт ФИАН, 1980, N 178, Москва.

3.Веретенников В.А., Полухин С.Н., Семенов О.Г. Измерению фарадеевского вращения в z-пинчах. Сизяка плезмы, том II, вып.П, том II, стр.1413.

4.Веретенников В.А., Гурей А.Е., Полухин С.Н., Семенов О.Г., Щербакова О.В. Диагностика магнитных полей в плазме импульсных разрядов по измерению угла поворота плоскости поляризации лазерного излучения. Препринт ФИАН .Москва 1989,N56

5.Веретенников В.А., Гурей А.Е., Писарчик Т., Полухин С.Н., Рупьюов A.A., Саркисов Г.С., Семенов О.Г., Шкнанов. A.C. Измерение пространственных параметров плазмы микропинчевого разряда по эффекту Фарадея. Физика плазмы вып.16, том 7, с.818

6.Верэтонников В.А., Гурей А.Е., Писарчик Т., Полухин С.Н., Рупасое A.A., Саркисов Г.С., Семенов О.Г., Шиканов A.C. Измерение магнитных полей и тока в плазме z-пинча по эффекту Фарадея. Труды 5-ого Всесоюзного совещания по диагностике высокотемпературной плазмы. Минск 1990г.

Т.Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции , M..I96I 8.AntBiferov P.S., Koshelev K.N., Sidelnikov J.V. Two regimes of mioropinoh in low inductance vacuum epark. J.Phys.D, 1939,22,p.1073.

Лодписанс в печать 16 ¡/.а;: та I'jö3 ru;;:'

Заказ .'è 96. Is.»pan 100 экя. I.ü n..i._

Отпечатано з РЛИС -ÜiAH

Москва, 3-333, Лен::нск;ь! проспек. ;

f

к у 1 i ^

i:

Пойм3 ВкГс

v9to<Ui/c ^кАЬн2

1 l 3 4 5 6 мм

3 Ч 5 ми

Фарадееграммаг телеграмма и интерферограмма разряда вакуумной искры, снятые одновременно к моменту времени t=0,3MKC от начала протекания тока. Ниже для сечения А-А приведет восстановленные по ним графини радиальных распределений электронной плотности плазмы пе, магнитного поля В, плотности тока J. электронной дрейфовой скорости v_.

рзйг;

-ан8яопмш& фотоснимки для t=0,4HKC. Стрелками показаны области генерации плазменных точек.

.icdf

i 6