Исследование турбулентных явлений в плазме плазменного прерывателя тока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РГВ ол

21 Р

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 621.316.543

НИТИШИНСКИЙ МИХАИЛ СЕРГЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ПЛАЗМЕ ПЛАЗМЕННОГО ПРЕРЫВАТЕЛЯ ТОКА

01.04.08 - физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Институте Ядерного Синтеза РНЦ «Курчатовский Институт»

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор А.С.Кингсеп кандидат физико-математических наук Ю.Г.Калинин

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук П.В.Сасоров доктор физико-математических наук Д.А.Щеглов

Ведущая организация:

Институт сильноточной электроники СО РАН, г.Томск

Защита состоится «_»_199_ г.в_час. ___мин.

на заседании Специализированного ученого совета К 063.91.06 при Московском физико-техническом институте (141700, г.Долгопрудный, Моск.обл., Институтский пер., 4, МФТИ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан «_»_199_ г.

Ученый секретарь Специализированного сове™

к.ф.м.н.

БрагинВ.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Плазменный прерыватель тока (ППТ) [1],[2] представляет собой плазменную перемычку, по которой пропускается ток и импеданс которой зависит от времени. Плазма ППТ замыкает электроды вакуумной линии, к которой подключается внешний источник тока. Импеданс ППТ на первой стадии, именуемой стадией проводимости, мал. При этом ток через ППТ практически равен полному току в линии. Затем импеданс ППТ резко возрастает (этот процесс носит название «размыкания»), и ток линии переключается в нагрузку (например, электронный диод), включенную параллельно ППТ.

На протяжении двух десятилетий ППТ активно изучается на предмет использования в мощной импульсной технике для получения наносекундных импульсов. Это работы по программам инерционного термоядерного синтеза, создание мощных источников излучения и др.

Ранние эксперименты с ППТ носили, в основном, электротехнический характер, что не позволяло сделать обоснованный выбор в пользу какой-либо из существующих моделей работы прерывателя.. В последние годы усилился интерес к измерению с временным разрешением локальных параметров плазмы, а также электрических и магнитных полей в ППТ.

Цель диссертационной работы - исследование турбулентных явлений в плазме ППТ. Это предполагает как измерение параметров плазмы, так и изучение эффектов, вызываемых турбулентностью.

Научная новизна работы состоит в следующем. Проведены спектроскопические исследования щтарковского уширения водородной линии На. Было найдено, что на стадии проводимости ППТ линия На уширяется электрическим полем низкочастотной турбулентности. Напряженность этого поля

вблизи анода ППТ оценивается как 10-30 кВ/см, увеличиваясь к катоду до 50 кВ/см. Эти измерения свидетельствуют о наличии в плазме ППТ потенциальных волн, прежде всего, ионного звука, но, быть может, также и ленгмюровских волн. Ионно-звуковое аномальное сопротивление для условий эксперимента оценивается как ~1 Ом, что неплохо согласуется с измеренным на стадии проводимости сопротивлением ППТ.

Обнаружен эффект рассеяния зондирующего лазерного пучка на турбулентных шумах плазмы прерывателя. Найдено, что угловое уширение зондирующего пучка составляет 1-5х10"3. Это скорее всего может быть следствием наличия в плазме ППТ чисто электронной непотенциальной моды - геликонов с амплитудой магнитных осцилляций ~10 Гс.

Научная и практическая ценность работы.

В данной работе разработаны новые и модифицированы существующие средства и методы диагностики быстропротекающих процессов в плазме. Создана схема регистрации профиля спектральных линий с высоким временным и пространственным разрешением, работоспособная в условиях сильных электромагнитных помех. Методика, использованная для регистрации эффекта рассеяния ?ондирующего излучения на турбулентных шумах, применима и для исследования неоднородностей плотности плазмы.

В ходе выполнения работы были созданы и опробованы элементы прерывателя, характеристики и ресурс которых делают возможным применение ППТ в промышленных технологиях.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Анализ контура спектральной линии водорода На , наблюдаемой в плазме ППТ на стадии проводимости, свидетельствующий, что в ней присутствует поле низкочастотной турбулентности с амплитудой 10-40 кВ/см.

2. Аномальное сопротивление в плазме ППТ. Для параметров эксперимента аномальное сопротивление на стадии

проводимости оценивается как 1 Ом. При изменении масштабов установок роль аномального сопротивления может оказаться существенной в сценарии ППТ.

3. Результаты экспериментальных исследований турбулентных шумов в плазме ППТ по рассеянию зондирующего лазерного пучка.

4. Новые конструктивные и схемные решения ППТ для повышения ресурса его работы в режиме повторяющихся импульсов.

Апробация результатов работы

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на 11-й и 12-й Международной конференции по мощным импульсным пучкам (Прага, 1996 и Хайфа, Израиль, 1998), 11-й Международной конференции по импульсной мощности (Балтимор, США, 1997), XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (1997), 9-м Всероссийском совещании по диагностике

высокотемпературной плазмы (С-Петербург, 1997).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержание работы изложено на 110 страницах текста, включает 49 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение. Дано понятие о плазменном прерывателе тока (ППТ). Обоснована актуальность темы исследований, кратко изложены результаты, характеризующие новизну диссертационной работы. Сформулированы основные результаты, выносимые на защиту.

Глава 1. Обзор современных экспериментальных исследований микросекундного плазменного прерывателя тока. В п. 1.1 собраны сведения о различных генераторах с ППТ. Для каждой установки сперва приводятся параметры генератора (энергозапас, период, амплитуды тока и напряжения в режиме короткого замыкания). Далее описываются применяемые прерыватели (геометрия ППТ, источники плазмы), и параметры получаемого в нагрузке импульса. Для «микросекундного» ППТ стадия проводимости длится 0.4 - 2.0 мкс, а размыкание происходит за 50-150 не. Сопротивление ППТ на стадии проводимости - 0.1-0.5 Ом; при размыкании сопротивление возрастает на 1-2 порядка и достигает значений от нескольких единиц до десятков Ом. Величина размыкаемых токов - до 3 МА, напряжение на ППТ - до 3.5 МВ. Наиболее популярна коаксиальная геометрия ППТ и вакуумной линии, при этом плазменная перемычка имеет форму шайбы с характерным размером 10 см. Плазма ППТ создается специальными источниками плазмы, и по своим параметрам (концентрации, однородности, степени ионизации, качественному составу) сильно отличается на различных установках. Для ряда микросекундных ППТ концентрация электронов была измерена экспериментально и составила 1014 - 1015 см"3.

П. 1.2 посвящен дальнейшему развитию ППТ как элемента импульсной техники в форме магнито-управляемого плазменного прерывателя тока (английское обозначение -МСРОБ). Одна из основных сложностей в применении

традиционных ППТ состоит в том, что момент размыкания строго не контролируется, а варьируется путем подбора источников плазмы, задержкой между инжекцией плазмы и началом тока через ППТ и т.д. Технология MCPOS, по замыслу ее создателей из Национальных Лабораторий Сандия, должна упростить управление моментом размыкания благодаря применению внешних магнитных полей.

В п.1.3 рассматриваются существующие методы диагностики плазменных прерывателей тока. Их можно разбить на три группы:

- Измерение электрических параметров ППТ;

- Спектроскопические измерения параметров плазмы;

- Измерение плотности электронов и нейтральных частиц в ППТ.

В первую группу входят все электротехнические измерения, проводимые в цепи с ППТ. Они присутствуют практически во всех экспериментальных исследованиях. В частности, полный ток через ППТ можно вычислить, измеряя ток в коаксиальной линии до и после ППТ. Напряжение на ППТ вычисляется из непосредственно измеряемого напряжения на изоляторе и индуктивной составляющей.

Спектроскопические методы измерения параметров плазмы ППТ на сегодняшний день активно развивает группа из Weizmann Institute, Izrael [3]. Для измерения распределения магнитного поля в коаксиальном ППТ наблюдались ионные линии для двух поляризаций одновременно, чтобы выделить вклад эффектов Допплера и Зеемана в профиль линии. Локальность измерений достигается следующим образом. Импульс лазера (Nd:YAG, 20 не, 50 мДж) испаряет добавку, предварительно помещенную на поверхность анода ППТ. Она создает в плазме столб примеси, аксиальное положение которого задается положением лазера. (Азимутальная и радиальная координаты определяются линией наблюдения). В качестве добавки выбирается элемент, отсутствующий в плазме ППТ (Ва, Mg, ...). и наблюдается линия его иона. В экспериментах была

найдена скорость проникновения магнитного поля в плазму ППТ ~ *08см/с.

Интерференционное измерение линейно-интегральной плотности плазмы ППТ было впервые проведено на установке HAWK в 1992 г. [4], и в настоящее время активно используется для диагностики на различных установках. Коэффициент преломления полностью ионизованного газа

п = 1-4.46x10'14 X2Ne где Я - длина волны, Ne - концентрация электронов. Когда в одном из плеч интерферометра появляется слой плазмы толщины L, между интерферирующими лучами возникнет дополнительный набег фазы

dcp = 2л(1-п)Ь/Я = 2.8xlO-13XNeL В экспериментах предел чувствительности <NeL>rain~ 5х10ы см"2.

Глава 2 посвящена существующим теоретическим подходам к механизму работы ППТ. В зависимости от параметров плазмы и пропускаемых токов работа размыкателя определяется различными физическими процессами. Удобно выделить следующие три режима работы ППТ.

В случае плотной плазмы применимо приближение магнитной гидродинамики (МГД) [5], в рамках которого происходит макроскопическое перераспределение плазмы, приводящее к локальному падению концентрации, но не объясняющее возрастания сопротивления ППТ. Для более редкой плазмы прерывателя, отвечающей условиям электронной магнитной гидродинамики (ЭМГ) [6], существенны эффекты ЭМГ-сопротивления, аномального сопротивления плазмы и ее турбулентного нагрева; происходит конвективный внос магнитного поля в плазму. Дальнейшее понижение концентрации переводит прерыватель в эрозийный режим [1]. Под эрозией понимается уход ионов из плазмы, в результате образуется и растет зазор - область с концентрацией ионов, много меньшей начальной, и с магнитной изоляцией электронов. Модель

объясняет возрастание сопротивления ППТ до десятков Ом, а также большую долю ионной составляющей тока. Эрозийный реж-ш работы плазменного размыкателя универсален лишь в том смьсле, что он является конечной стадией работы размыкателя.

Глава 3 посвящена описанию экспериментальной установки, диагностических методов и полученных экотериментальных результатов.

В п.3.1 дано описание установки «Тайна» с плазменным прерывателем тока, на котором выполнялись эксперименты. Установка состоит из генератора Маркса и вакуумной камеры, вьутри которой располагались вакуумная коаксиальная линия, ГПТ и низкоиндуктивная нагрузка. Каждый из двух модулей генератора Маркса включал в себя 10 ступеней по 7 кснденсаторов. Перед запуском установки конденсаторы зфяжались до напряжения 36...45 кВ (энергозапас от 36 до 70 кДж соответственно). Генератор Маркса имеет воздушную иоляцшо и соединен с вакуумной частью установки через вгсоковольтный изолятор. Период импульса составлял 8-9 мкс с ашлитудой тока 100-200 кА.

П. 3.2. посвящен экспериментам по исследованию с:ектральной линии водорода Нд. Для анализа излучения плазмы ГПТ в видимой области использовалась схема со скрещенной дсперсией и регистрацией на электронно-оптическом хонографе. Вид наблюдавшихся контуров линии водорода На двал основания предполагать, что формирование профилей оюеделялось эффектом Штарка: уширение составляло 1-3 А, в то время как уширение вследствие эффекта Зеемана, вызванное магнитным полем тока, не могло превышать 0.2 А.

Характерные профили полученных штарковских колуров (Рис.1) можно условно разделить на 3 типа, прэстранственно-временная привязка которых схематично псхазана на Рис.2:

1} 2) I)

1 \ А ( и 1

0,6 Л

Рис.1 Характерные профили линии На.

Рис.2 Схема спектрохронограммы свечения линии Ыа (три интерференционных порядка). Цифрами показаны области с различными типами профиля.

1) - узкий контур с затянутыми крыльями. Этот тип контура регистрировался спустя 500-600 не после начала

протекания тока в центре зазора ППТ и вблизи его анода. Такой контур наблюдался в течение 400-500 не.

2) - изрезанный контур с несколькими равноотстоящими пиками наблюдался вблизи анода в момент размыкания;

3) - контур с ярко выраженными симметрично расположенными боковыми пиками, регистрировался также в середине зазора и вблизи анода спустя 0.9-1.1 мке после начала тока и наблюдался в течение 300-400 не.

Такие формы контуров, по нашему мнению, соответствуют наличию в плазме квазистатических, высокочастотных (неадиабатических) и квазипостоянных полей соответственно.

В п.3.3 проводится анализ контуров типа 1), которые могут вызываться наличием низкочастотных (например, ионно-звуковых) колебаний. Для расчета модельного профиля спектральной линии применялись формулы и методы расчета из работы [7]. Профиль линии дается выражением:

1(£у) = 1(0)(Й;)+ УтшЬрУ Г—") г

о о «^Л ^ И2£

Здесь со - частота, р5 -удельный вес штарковской компоненты, Дсо=со-о0, §=Зеао/21"1 - постоянная эффекта Штарка, ао - боровский радиус, 5 - номер штарковской компоненты (для линии На индекс б пробегает целые значения в интервале от -8 до +8). ^(оо) -интенсивность несмещенной компоненты; 0 и <р - углы сферической системы координат, характеризующие направление вектора мгновенного электрического поля Е, \Л^(Е) - функция распределения электрического поля.

Было предположено, что в случае плазмы ППТ наблюдается комбинация штарковского , уширения линии низкочастотным полем и доплеровского уширения, и что поле низкочастотной турбулентности существенно превосходит поле Хольцмарка и можно пренебречь хольцмарковским уширением, а

распределение турбулентного поля изотропно и может быть описано гауссовой функцией. Тогда результирующая формула для профиля линии примет вид:

я«0

' са-О)

хехр

( сл~со V Ьст.

6са>) V у

ь-рД—. (1).

Формула (1) была положена в основу расчетов модельного : профиля линии. Сравнивая форму экспериментальных контуров с модельными, можно оценить поле низкочастотной турбулентности, например) вблизи анода как 10-30 кВ/см при температуре нейтрального газа Т=1-3 эВ. Более детальный анализ контуров затрудняется вследствие сложения "крыльев" двух соседних профилей. Однако, анализируя форму профилей, можно предположить, что турбулентное поле увеличивается в направлении к катоду до 50 кВ/см, поскольку расстояние между особенностями на профиле, формируемыми боковыми компонентами линии, увеличивается.

В п.3.4 описаны "методы исследования рассеяния зондирующего лазерного излучения на турбулентных шумах в ■ плазме ППТ, и экспериментальные результаты: - '

Для диагностики была выбрана схема, показанная на Рис.3. Она позволяет получить шлирен-изображения резких неоднородностей плотности среды,' а также зарегистрировать плазмённые колебания по рассеянию на них зондирующего лазерного излучения. Источником света служил УАС:Ш лазер 1 -со встроенным оптическим затвором - ячейкой Поккельса. Лазер

работал в режиме модулированной добротности (Х.=1064 нм, импульс 90 мДж длительностью 15 не). На ячейку подавалось постоянное напряжение 4 кВ. Она отпиралась импульсом обратной полярности от генератора МГИН. Запуск ламп-вспышек лазера и МГИН осуществлялся из диагностической кабины. Таким образом, в течение одного импульса устано&ки снимался один кадр. Его начало определялось задержкой импульса напряжения, отпиравшего оптический затвор - ячейку Поккельса.

Часть излучения отражалась от стеклянной пластины на ФЭК -19, сигнал с которого выводился на осциллограф и служил для определения момента регистрации.

С помощью кристалла 1ЛКЬ03 2 лазерное излучение преобразовывалось ко второй гармонике (532 нм). Посредством телескопа 3 пучок расширялся: выходящий пучок имел диаметр около 2 см.

Зондирующий пучок вводился и выводился из вакуумной камеры 8 через оптические окна из бессвильного стекла. Пучок проходил через ППТ вдоль его оси.

На выходе зондирующего пучка из вакууной камеры располагался фильтр 4, отсекавший излучение плазмы. Далее находилась линза 5 с фокусным расстоянием 234 мм. В ее фокальной плоскости располагалась шлирен-маска с диафрагмой 6. Для регистрации применялась пленка РФ-3 7.

Фильтр 4 состоял из стекла СЗС 23 и интерференционного фильтра на 530 нм с полосой пропускания 12 нм и служил для подавления излучения плазмы и первой (инфракрасной) гармоники лазера.

Маска была выполнена в виде проволочки диаметром 0.23 мм или 0.4 мм или бумажной полоски шириной 1.2 мм или 2.5 мм. В отсутствие плазмы лазерное излучение фокусировалось на середине маски; благодаря отклонению на неоднородностях часть излучения проходило мимо маски, что регистрировалось по почернению фотопленки. В большинстве экспериментов маска

' с -

располагалась горизонтально, перпендикулярно направлению зондирования. Таким образом, схема чувствительна к неоднородностям плазмы в вертикальном направлении, и нечувствительна - к горизонтальным. В отдельных экспериментах маска располагалась вертикально.

Ярко выраженных градиентов концентрации в экспериментах не обнаружено (Рис.4). Вместо этого регистрируется почернение фотопленки, рассредоточенное по большой области. Это не может являться результатом "замазывания" изображений нескольких резких градиентов концентрации, например, расположенных под углами ~к/2 к зондирующему лучу. В самом деле, качественно картина сохраняется вплоть до размера маски Ь= 1.2 мм. Это соответствует <УКе> ~ 1018 см"4; при размере области, где наблюдается эффект, порядка 1 см, мы должны иметь Ые ~ 1018 см"3, что не представляется реальным.

Вместо этого следует предположить, что зондирующее излучение рассеивается на плазменных колебаниях и флуктуациях плотности. Вследствии этого оно также может проходить мимо маски и приводить к почернению фотопленки. Результаты ,, фотометрирования показали, что плотность почернений на экспериментальных кадрах порядка 0.4 при размере маски Ьт;п <0.4 мм, несколько снижается при увеличении

Ь до 1.2 мм, и спадает до уровня фона для Ьтах = 2.5 мм. Эти данные позволяют оценить угловое уширение зондирующего пучка: Лб ~ 10"3 - 5x10"3. Поскольку эффективность рассеяния на тепловых -флуктуациях мала, следует предположить, что наблюдается рассеяние на турбулентных флуктуациях плазмы.

Рис.4 Зарегистрированное рассеянное зондирующее тазерное излучение.

Глава 4 посвящена теоретической интерпретации толученных экспериментальных результатов.

В п.4.1 показано, что зарегистрированные турбулентные электрические поля в ППТ вызывают аномальное сопротивление тпазмы. Воспользуемся формулой Сагдеева для проводимости:

СГе/=(4я)'' CùpeVrJu. л, подставляя vT/u « соре / vef - nT/W, W=Ej/4x получим

ОТ = (4л е2/т )'/2(п3/2Т/ EJ)

Экспериментальная оценка величины турбулентного п эля (из п.3.3) Е_ ~ 10 kB/см. Взяв параметры плазмы п=1013 ;м 3, Т=10 эВ, и характерные размеры ППТ: длина вдоль оси 10 см, расстояние между электродами 12.5 см, получим R - 1 Ом. Такая оценка согласуется с экспериментальными оценкши, сделанными на основе анализа осциллограмм, которые ;,ают величину 0.2-0.4 Ом на стадии проводимости. Показано также, что если при масштабировании установок с ППТ ЭМГ-масштаб электронного течения превысит характерный геометрический размер прерывателя, то резистивные эффекты становятся существенными в динамике ППТ.

В п.4.2 приводятся оценки величины углового уширения зондирующего лазерного излучения на турбулентных шумах. Показано, что именно рассеяние световых квантов по упгу будет доминирующим эффектом. Уширение, обусловленное рассеянием на ионном звуке либо ленгмюровских волнах, лишь с заметной натяжкой объясняет наблюдаемый эффект. Е то же время весьма эффективным может быть процесс рассеяния электромагнитной волны на чисто электронной непотенциальной моде - геликонах. Они могут появляться i плазме как следствие слияния двух ионно-звуковых кванто! либо возбуждаться вследствие неустойчивости тока (на баз( этой неустойчивости построена одна из моделей аномального сопротивления ППТ [8]). Для уширения угловогс распределения до 0~ Ю-2 вполне достаточно В_ ~ 10 Гс, чтс представляется наиболее разумным объяснение\ наблюдаемого эффекта рассеяния.

Глава 5 посвящена перспективам примененш плазменных прерывателей для создания ускорителей i использования последних в промышленных технологиях Ускорители на основе ППТ, работающие в режим!

повторяющихся импульсов, могут применяться в таких технологиях, как радиационная химия, стерилизация медицинского оборудования, пастеризация пищевых продуктов, очистка газовых выбросов, обработка сточных вод и другие.

В ходе экспериментов были созданы и опробованы конструкции элементов ППТ и ускорителя, обеспечивающие длительный ресурс работы в частотном режиме.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Созданы диагностические системы для спектроскопических измерений и лазерного зондирования плазмы ППТ. Системы работоспособны в условиях вибропомех и сильных электромагнитных наводок, характерных для установок с плазменным прерывателем тока.

2. Проведены исследования плазменного прерывателя тока на установке «Тайна» (1.5-2.0 мкс, 100-150 кА) с помощью оптических методов диагностики. При этом получены следующие новые результаты.

3. Уширение линии водорода На свидетельствует о наличии в плазме ППТ на стадии проводимости поля низкочастотной турбулентности с амплитудой 10-40 кВ/см. Это может быть следствием ионного звука или ленгмюровских волн. Турбулентные шумы ответствены за аномальное сопротивление плазмы ППТ.

4. Зарегистрировано рассеяние зондирующего лазерного пучка (/.=532 нм), проходящего через плазму ППТ вдоль его оси вблизи катода. Угловое уширение пучка составило 1-^5х10"3, что не может объясняться ни регулярными градиентами концентрации, ни рассеянием на термодинамических флуктуациях. По всей видимости, происходит рассеяние световых квантов по углу на турбулентных шумах. Наиболее вероятно рассеяние на геликонах, поскольку измеренное угловое уширение соответствует амплитуде магнитных

осцилляций ~10 Гс, что вполне реально. Геликоны могут появляться в плазме ППТ как следствие слияния двух ионно-звуковых квантов или возбуждаться токовой неустойчивостью.

5.. Продемонстрирована возможность создания частотных ускорителей на основе ППТ с пиковой мощностью электронного пучка 30-100 ГВт и средней мощностью пучка 10-100 кВт для применения в промышленных технологиях.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Беленький Г.С., Голованов Ю.П., Долгачев Г.И., Закатов Л.П., Нитишинский М.С., Ушаков А.Г. «Экспериментальное исследование токопереноса в плазме микросекундного ППТ» II "Физика плазмы",1995, т.21, №10, с.897-902

2. Долгачев Г.И., Закатов.Л.П., Калинин Ю.Г., Кингсеп A.C., Нитишинский М.С., Ушаков А.Г. «Эффект аномального сопротивления в плазменном прерывателе тока» // "Физика плазмы", 1996, т.22, № 11, с .1017.

3. G.I.Dolgachev, Yu.G.Kalinin, A.S.Kingsep, M.S.Nitishinsky, A.G.Ushakov, and L.P.Zakatov. «Anomalous resistivity in the plasma opening switch» // Proc. XI International Conference on High-Power Particle Beams, Prague, Czech Republic, 1996, vol.2, pp.1207-1210.

4. Долгачев Г.И., Закатов.Л.П., Калинин Ю.Г., Нитишинский М.С., Ушаков А.Г., Шашков А.Ю. «Исследование неоднородностей плазмы плазменного прерывателя тока с помощью лазера» // Тезисы докладов XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, 1997, с.216.

5. Баринов Н.У., Беленький Г.С., Долгачев Г.И., Закатов Л.П., Нитишинский М.С., Ушаков А.Г. «Частотные плазменные прерыватели тока и их применение в технологии мощных ускорителей» // Известия ВУЗов, Томск, 1997, №10.

6. Долгачев Г.И., Закатов.Л.П., Калинин Ю.Г., Кингсеп A.C., Нитишинский М.С., Ушаков А.Г., Шашков А.Ю. «Регистрация

турбулентных шумов в плазме плазменного прерывателя тока по рассеянию лазерного излучения» // "Физика плазмы", 1998, т.24, №3, с.226.

7. G.T.Dolgachev, Yu.G.Kalinin, A.S.Kingsep, M.S.Nitishinsky, and A.Yn.Shashkov. «Investigation of plasma inhomogeneities in a plasma opening switch by laser methods» // Proc. XII International Conference on High-Power Particle Beams, Haifa, Israel, 1998.

8. Долгачев Г.И., Закатов.Л.П., Нитигиинский M.C., Ушаков А.Г. «Перспективы промышленного использования частотных генераторов с плазменным прерывателем тока» // "Физика плазмы", 1998, т.24, №11.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ottinger P.F., Goldstein S.A., Meger R.A. // J.Appl.Phys., 1984, v.56(3), pp.774-784.

2. КовальчукБ.М., МесяцГ.А. //ДАНСССР, 1985,т.284, с.857.

3. M.Safary, R.Shpitalnik, B.Arad et al.// Phys.Plasmas 2(6),1995, p.2583.

4. RJ.Commisso, P.J.Goodrich, J.M.Grossmann et al. // Phys.Fluids В 4, 2368(1992).

5. W.Rix, D.Parks, J.Shannon et al // IEEE Trans.Plasma Sci. PS-19, 400(1991).

6. Kumcen A.C., Чукбар K.B., Янъков В.Б. // в сб. «Вопросы теЬрии плазмы» под ред. Кадомцева Б.Б., вып. 16, с.209, М.: Энергоатомиздат, 1987.

7. Березин А.Б., Люблин Б.В., Яковлев Д.Г. И Препринт К-0609, Л.: НИИЭФА, 1983.

8. Сасоров П.В. // «Физика плазмы», 1992, т.18, с.275.

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 621.316.543

НИТИШИНСКИЙ МИХАИЛ СЕРГЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ПЛАЗМЕ ПЛАЗМЕННОГО ПРЕРЫВАТЕЛЯ ТОКА

01.04.08 - физика и химия плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук , профессор А.С.Кингсеп кандидат физико-математических наук Ю.Г.Калинин

Москва 1998

ч

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЯ НА УСТАНОВКАХ С 7 ПЛАЗМЕННЫМ ПРЕРЫВАТЕЛЕМ ТОКА (литературный обзор)

1.1 Характеристики некоторых генераторов с ППТ 7

1.2 Магнито-управляемый плазменный прерыватель тока (МСРОБ) 23

1.3 Методы диагностики плазменных размыкателей. 27 Литература к Главе 1. 33

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К МЕХАНИЗМУ 34 РАБОТЫ ППТ % ^

2.1 МГД-эффекты А*^«* 35

2.2 ЭМГ-эффекты 37

2.3 Стадия эрозии. 41 Литература к Главе 2. 43

ГЛАВА 3. ОПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЕННОГО 44 ПРЕРЫВАТЕЛЯ ТОКА НА УСТАНОВКЕ "ТАЙНА"

3.1 Экспериментальная установка 44

3.2 Экспериментальное исследование электрических полей по 45 штарковскому уширению спектральной линии водорода На

3.3 Сравнение результатов с расчетным профилем спектральной 48 линии

3.4 Исследование рассеяния зондирующего лазерного излучения на 52 турбулентных флуктуациях плазмы ППТ

3.4.1 Режим работы установки 52

3.4.2 Оптическая схема диагностики. 52 3.4.5 Результаты исследований на установке «Тайна». 59

Литература к Главе 3. 62

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ 63 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1 Эффект аномального сопротивления 63

4.2 Оценки возможности рассеяния зондирующего лазерного 66 излучения на турбулентных шумах

Литература к Главе 4. 71

ГЛАВА 5. СОЗДАНИЕ УСКОРИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ППТ И 72 ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННЫХ

ТЕХНОЛОГИЯХ

5.1 Роль ускорительной техники в промышленных технологиях 72

5.2 Параметры ускорителя на основе ППТ 76

5.3 Существующие и проектируемые частотные генераторы на 81 основе ППТ

5.4 Новые конструктив!1 ые и схемные решения частотных ППТ 84

5.5 Резюме 88 Литература к Главе 5. 89

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91

ВВЕДЕНИЕ

Плазменный прерыватель тока (ППТ) (в англоязычной литературе прерыватель носит название «Plasma Opening Switch (POS)» ) представляет собой плазменную перемычку, по которой пропускается ток и импеданс которой зависит от времени. Плазма ППТ заполняет часть межэлектродного зазора вакуумной линии. После подключения к линии генератора в ней нарастает ток. Импеданс ППТ на первой стадии, именуемой стадией проводимости, мал, и энергия генератора преобразуется в магнитную энергию линии, играющую роль индуктивного накопителя. Затем импеданс ППТ резко возрастает, и ток линии переключается в нагрузку (например, электронный диод), включенную параллельно ППТ. Этот процесс носит название «размыкания».

Для «микросекундного» ППТ стадия проводимости длится 0.4 - 2.0 мкс, а размыкание происходит за 50-150 не. Сопротивление ППТ на стадии проводимости - 0.1-0.5 Ом; при размыкании сопротивление возрастает на 1-2 порядка и достигает значений от нескольких единиц до десятков Ом. Величина размыкаемых токов - до 3 МА, напряжение на ППТ - до 3.5 MB. Наиболее популярна коаксиальная геометрия ППТ и вакуумной линии, при этом плазменная перемычка имеет форму шайбы с характерным размером 10 см. Плазма ППТ создается специальными источниками плазмы, и по своим параметрам (концентрации, однородности, степени ионизации, качественному составу) сильно отличается на различных установках. Для ряда микросекундных ППТ концентрация электронов была измерена экспериментально и составила 1014 -1015 см'3.

Моментом размыкания можно управлять, варьируя начальные параметры плазмы ППТ. Был также предложен магнито-управляемый плазменный прерыватель тока, в котором резкое изменение магнитного поля в ППТ (за счет дополнительных катушек) инициирует размыкание, но практическая реализация этой технологии испытывает многочисленные трудности.

Как электротехническое устройство ППТ впервые применялся для подавления предымпульса сильноточного ускорителя с водяной формирующей линией в качестве источника питания диода [1]. Предымпульс возникал при зарядке водяной линии от генератора импульсов напряжения (ГИНа) - генератора Маркса с начальной длительностью импульса -100 не. В 1985 году Г.А.Месяцем с сотрудниками была продемонстрирована возможность применения ППТ для обострения мощности микросекундного импульса [2]. Эта работа открыла перспективу существенного упрощения схем мощных импульсных генераторов за счет замены дорогостоящих и громоздких водяных линий малогабаритными и относительно дешевыми плазменными прерывателями. Именно этим объясняется большой интерес к изучению физики и техники ППТ. В настоящее время генераторы с ППТ применяются для питания плазменных источников излучения и электронных диодов.

На сегодняшний день создан ряд моделей работы плазменного прерывателя, каждая из которых вполне корректно описывает механизм работы ППТ для того или иного диапазона параметров либо на разных временных стадиях. Параметры ППТ сильно отличаются на различных установках, и даже для одной установки параметры плазмы изменяются на порядок за время протекания тока через прерыватель. Поэтому имеет смысл рассматривать механизм работы ППТ, привлекая несколько теоретических моделей. В

частности, в случае плотной плазмы происходит макроскопическое перераспределение плазмы, которое дает локальное падение концентрации, но не объясняет возрастания сопротивления ППТ. Для более редкой плазмы прерывателя происходит конвективный внос магнитного поля в плазму, существенны эффекты ЭМГ-сопротивления, аномального сопротивления плазмы и ее турбулентного нагрева. Дальнейшее понижение концентрации приводит к образованию в плазме зазора с магнитной изоляцией электронов.

В экспериментальных исследованиях прерывателей основной упор делался на измерение электротехнических параметров. Параметры же плазмы, которые меняются в размыкателе в широких пределах как во времени, так и в пространстве, известны намного хуже. Серьезным успехом следует назвать измерение концентрации электронов в ППТ, осуществленное в последние годы.

Настоящая работа выполнена по материалам исследований плазменного прерывателя тока с помощью оптических методов диагностики, которые автор проводил на установке «Тайна» в РНЦ «Курчатовский институт». Это установка с коаксиальной геометрией ППТ, отрицательной полярностью внутреннего электрода и размыкаемым током порядка 100 кА.

Проведены спектроскопические исследования штарковского уширения водородной линии На [3]. Было найдено, что на стадии проводимости ППТ линия уширяется электрическим полем низкочастотной турбулентности. Напряженность этого поля вблизи анода ППТ оценивается как 10-30 кВ/см, увеличиваясь к катоду до 50 кВ/см. Эти измерения свидетельствуют о наличии в плазме ППТ потенциальных волн, прежде всего, ионного звука, но, быть может, также и ленгмюровских волн. Ионно-звуковое аномальное сопротивление для условий эксперимента оценивается как ~1 Ом, что неплохо согласуется с измеренным на стадии проводимости сопротивлением ППТ.

Исследовано рассеяние зондирующего лазерного пучка (УАО:Ш, вторая гармоника, А,=532 нм) на турбулентных шумах плазмы прерывателя [4]. Найдено, что угловое уширение зондирующего пучка составляет 1-5x10"3. Это может быть следствием наличия в плазме ППТ чисто электронной непотенциальной моды -геликонов с амплитудой магнитных осцилляций ~10 Гс.

Установки с ППТ могут использоваться как источники электронов и рентгеновского излучения и применяться в промышленных технологиях. Для этого требуется, чтобы генератор работал в режиме повторяющихся импульсов («в частотном режиме»). Исследования, проведенные на установке РС-20 и других установках РНЦ «Курчатовский институт» [5], показали возможность работы ППТ в частотном режиме и выявили особенности такой работы.

Диссертация состоит из пяти глав. Глава 1 представляет собой литературный обзор, содержащий сведения о наиболее типичных установках с ППТ. Приводятся различные схемы прерывателей, результаты измерения токов и напряжения на ППТ, концентрации электронов. В Главе 2 излагаются существующие теоретические модели механизма ППТ. Глава 3 посвящена исследованиям ППТ на установке «Тайна». Подробно описана методика экспериментов, приведены полученные результаты, проведен расчет модельного профиля спектральной линии для комбинации доплеровского уширения и штарковского уширения низкочастотным полем. В Главе 4 по результатам экспериментов оценивается величина аномального сопротивления, определяется

характер турбулентности плазмы, оценивается амплитуда магнитных осцилляций в ППТ. Проблемы создания генераторов на основе ППТ для промышленных технологий обсуждаются в Главе 5.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Анализ контура спектральной линии водорода На , наблюдаемой в плазме ППТ на стадии проводимости, свидетельствующий, что в ней присутствует поле низкочастотной турбулентности с амплитудой 10-40 кВ/см.

2. Аномальное сопротивление в плазме ППТ. Для параметров эксперимента аномальное сопротивление на стадии проводимости оценивается как 1 Ом. При изменении масштабов установок роль аномального сопротивления может оказаться существенной в сценарии ППТ.

3. Результаты экспериментальных исследований турбулентных шумов в плазме ППТ по рассеянию зондирующего лазерного пучка.

4. Новые конструктивные и схемные решения ППТ для повышения ресурса его работы в режиме повторяющихся импульсов.

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на 11th and 12th Intern. Conference on High-Power Particle Beams (Prague, 1996 and Haifa, 1998), 11th IEEE Pulsed Power Conference (Baltimore, 1997), XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и У ТС (1997), Всероссийском совещании по диагностике плазмы (С-Петербург, 1997).

Основные результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах.

ЛИТЕРАТУРА К ВВЕДЕНИЮ.

1. Mendel С. W., Jr. Goldstein S.A. II J. Appl. Phys., 1977, v.48, p. 1004-1007.

2. Ковалъчук Б. M., Месяц Г. А. И ДАН СССР, 1985, Т. 284, с. 857.

3. Долгачев Г.И., Закатов.Л.П., Калинин ЮТ. и др. // "Физика плазмы",1996, т.22, с.1017.

4. Долгачев Г.И., Закатов.Л.П., Калинин Ю.Г. и др. // "Физика плазмы",1998, т.24, с.226.

5. Долгачев Г.И., Закатов.Л.П., Нитишинский М.С. и др. // "Физика плазмы", 1998, т.24, с. 1078.

ГЛАВА 1

ИССЛЕДОВАНИЯ МАКРОСКОПИЧЕСКИХ И ЛОКАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ ППТ (литературный обзор)

1.1 Характеристики некоторых генераторов с ППТ.

В этой части подробно рассматривается ряд установок, использующих плазменный прерыватель тока. Этот обзор, не претендуя на полноту, позволяет получить представление о наиболее распространенных конструкциях ППТ, диапазонах их параметров и т.д. Для каждой установки сперва приводятся параметры генератора (энергозапас, период, амплитуды тока и напряжения в режиме короткого замыкания). Далее описываются применяемые прерыватели (геометрия ППТ, источники плазмы), и параметры получаемого в нагрузке импульса. Под макроскопическими параметрами подразумевается, в первую очередь, импеданс ППТ. Приводятся также наиболее интересные результаты диагностических измерений локальных параметров плазмы. Особое внимание уделяется современному состоянию дел на установках.

Генератор НА WK (Naval Research Laboratory, USA).

Установка HAWK ([1]) включает в себя масляный генератор Маркса (1 мкФ, выходное напряжение Uo= 640 кВ, 225 кДж), замкнутый на вакуумную коаксиальную линию. Амплитуда тока 1о= 720 кА, Т/4 = 1.2 мкс. Анод ППТ (Рис. 1.1) представляет собой 12 стержней, расположенных по цилиндрической поверхности с радиусом 7.5 см. Источники плазмы располагаются с внешней стороны анода. Внутренний электрод (катод) выбирался различных геометрий, как показано в Таблице 1.1.

Источники плазмы. В большинстве экспериментов использовались 18 поверхностных источников плазмы («flashboards»), располагавшихся, как показано на Рис. 1.1. Плазма образуется в них в результате электрического пробоя по поверхности диэлектрика. Кроме того, применялись 12 кабельных пушек [2], представлявших собой открытый срез коаксиального кабеля; пробой осуществляется между центральной жилой и оплеткой.' В ряде экспериментов использовались четыре газовых клапана, срабатываышие за 400-500 мкс до запуска установки; разряд в газе инициировался пробоем от конденсатора. Использованные газы: Нг, Не, Аг. Исследования показали, что, используя газовые источники плазмы, можно достичь тех же результатов, что и со стандартными источниками плазмы.

Различные нагрузки. В качестве нагрузки на HAWK применялись вакуумный и плазмонаполненный диоды, а также короткозамкнутая индуктивная нагрузка. Анализ экспериментальных данных показал, что в зависимости от импеданса нагрузки работу ППТ можно разделить на два режима, как представлено на Рис. 1.2. Если импеданс нагрузки Z|0ad меньше величины Z критическое, то работа ППТ определяется нагрузкой («load limited»): Upos ос Zioad, Iioad const. В случае, когда Zload > Z критическое, ВЫПОЛНЯЮТСЯ ЗаВИСИМОСТИ: UpOS ос const, Iioad ^ 1/ Zioad («SWltch limited»). Значения Z критическое приведены в Таблице 1.1.

gFlashboards (18) 1

Cable Guns (12)

Рис. 1.1 Схема ППТ на HAWK

М V

1 «ГЙ.

of sight -^ 1.60

TAPERED CATXODE

г а w о о Ъ 0

SWITCH LIMITED

LOAD UMaED

о 2 4 6 8 £ 10

Рис. 1.2 Зависимость максимального напряжения на ППТ от импеданса нагрузки (конический катод)

ТАБЛИЦА 1.1 Максимальные параметры на HAWK для различных катодных геометрий

Радиус катода Isw Iload Upos, kB Pload, TW Z критич. Ссылка

Rc= 5 см 635 500 900 0.4 1.5 Q [1]

Rc= 2.5 500 400 1200 0.5 за [1]

конический катод* 600 465 1600 0.7 (55 kJ) 4 Q [3]

Rc=1.3 500 250 2000 7 Q [4]

* конический переход с радиуса 5 см на 1.3 см на длине 8 см.

Uo=640 kV, I0=720 kA, I5W- полный ток в момент обрыва. Upos и I ioad берутся в момент пиковой мощности. Нагрузка - вакуумный диод.

Модификация анода заключалась в удлинении его в сторону нагрузки. Это приводит к уменьшению переключаемого тока и напряжения на ППТ. Плотность электронов в ППТ измерялась посредством интерферометра на He-Ne лазере ([5]; см.также п.1.3). Двухдлинноволновый интерферометр [2] (1.06 и 0.53 мкм) позволял также измерить концентрацию нейтральной компоненты. Временная зависимость плотности электронов в ППТ показана на Рис. 1.3(b). Здесь пив - плотность, создаваемая источниками плазмы в отсутствие тока через ППТ. Пь П2, пз измерены в трех выстрелах HAWK, отличавшихся временем задержки между срабатыванием источников плазмы и началом тока через ППТ. Эти измерения дают концентрацию, усредненную по длине плазмы вдоль аксиальной линии наблюдения (см. Рис. 1.1). Линия наблюдения находится на расстоянии 1.5 см от катода (радиус катода 5 см). На Рис. 1.3(a) приведен временной ход полного тока Iq и тока в нагрузке 1ц,2,з Для тех же выстрелов, что и на Рис. 1.3(b).

Сравним временной ход концентрации без тока и с током через ППТ. Видно, что на первой половине стадии проводимости ППТ эти концентрации примерно совпадают и составляют З..5х1015 см"3. Затем (при £>0.4 мкс) плотность становится меньше той, что задается источниками плазмы. Перед появлением

тока в нагрузке плотность резко спадает до предела измерений. Плотность от источников плазмы (прв) монотонно возрастает со временем.

800

600

400

3 200

10

ё

V)

ь

Z-

0.0

• (а) -.—.-■ | . . > -I - | i i i ■ л-"''

у' '

- О / ! ' уГ* I 1

г ii i ; I i

Lli Ui u;

/ / /

1

; ад Дз jy7

\

' n" - -.

2 ----

П1

\ ---------------

. . . 1 . . 7"".' .

0.5 1.0

Time (us)

1.5

Рис. 1.3 Временные зависимости тока и плотности электронов для трех выстрелов HAWK, (a) IG - полный ток, 1и,2,з - ток в нагрузке для трех различных выстрелов. (Ь) Прв - плотность, создаваемая источниками плазмы в отсутствие тока через ППТ. пь п2, п3 измерены в тех же выстрелах, что и токи Ili.j..i.

5.0 Cathode

5.5 6.0 6.5 Radius (cm)

7.0 t

Anode

Рис. 1.4 Зависимость плотности плазмы от радиуса. «FBs» - плотность, создаваемая источниками плазмы в отсутствие тока через ППТ; «Shot» - плотность, измеренная в выстреле HAWK.

Зависимость плотности плазмы от радиуса приведена на Рис. 1.4 для момента времени 900 не от начала тока через ППТ. Она получена по результатам нескольких измерений плотности ( в разных выстрелах HAWK ) при разном расстоянии аксиальной линии наблюдения от катода. Здесь «FBs» - плотность, создаваемая источниками плазмы в отсутствие тока через ППТ; «Shot» -плотность, измеренная в выстреле HAWK. Последняя не поднимается выше

5x1015 см'3.

2.0

1.5

Е о

1.0

О

0.5 ~

0.0

<л с <1J

а

0.5 Time Ojs) Рис. 1.5

-0.5

На Рис. 1.5 представлена временная зависимость плотности нейтралов ппстга1 в ППТ, полученная с помощью двухдлинноволнового интерферометра. Измерения

произведены вдоль хорды, отстоящей на 1.5 см от катода. Аксиальное положение хорды соответствует г=0 на Рис.1.1. Расстояние между электродами 3.5 см. Как видно, плотность нейтралов примерно в пять

раз превышает плотность электронов nSh0t к моменту размыкания. *

В настоящее время установка HAWK используется для экспериментов по созданию плазменного источника излучения (PRS - plasma radiation source, [6]).

Программа DECADE

Ус�