Получение и исследование плазмы тета-пинча на автоматизированной установке АНЦАБЗ-2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

российсасля АКРШЕЛММЯ НАУК

ЦКБ УНИКАЛЬНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи УДК 533.9.082.5; 533.95

САЯАЯ Бе ей К РП"инопнч

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ ТЕТЛ-ПИНЧА НА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКЕ ЯИЦАБЗ-2

Специальность 01.04.01 - техника физического эксперимента. Физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата Физико-математических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Сухумском государствеинсм университете.

Научные руководители: доктор Физико-катеиатических наук, профессор Багбпя Я.Д. кандидат физико-математических наук Отгиганчт: Е.П.

Официальные оппонентк: доктор физико-математических наук Eencsen A.B. кандидат технических наук Нечаев Ш.Я.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт прикладных физических проблей им. А.Н.Севченко при БГУ.

Запита состоится " 5 " июня 1992 г. в 10:00 час. на заседнии специализированного совета Д.003.77.01 при Центральной конструкторском бюро уникального приборостроения Р/Ш по адресу; 117342, Москва, ул. Бутлерова, 15.

С диссертацией полно ознакомиться в библиотеке ЦКБ УП РАН.

Автореферат разослан " 29 " апреля 1992 года.

Учений секретарь специализированного совета, кандидат Физ.-мат. наук

Е.А.Отливанчик

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Лктуд л киость тени.

Развитие энергетики будущего тесно связано с возможностями осуществления реакции управляемого термоядерного синтеза. Истоды получения горячей плазмы стали развиваться в начале пятидесяти;: годов. В настоящее время во многих страна:: осуществляются программы по УГС с использованием различных методов получения плазмы.

Для то::опаков, наиболее продвинутых в термоядерном отношении установок, характкрны следующие параметры получаемой плазны: плотность 1014 см-®, температура электронов 1 кзБ, температура ионоо 0,7 кэВ, время удержания Тс-0,06 сек. и $ << 1.

Альтернативой такого направления являются системы создания высокопемпературной плазмы с большим р =1: зет- и тета-пинчп, п::ичи с обратным полем, белт-пинчи, плазменный фокус. Они обладают такими положительными свойствами, как удобный и эффективный метод нагрева плазмы до высоких температур ( 1 кэВ) высокие значения концентрации частиц ( 1017 см-3), позволяющий по критерию Лоусоиа ограничится сравнительно небольшими временами удержания плазмы. При этой, такие системы обладают прискуществом по сравнению с системами с малым ( р, << 1), так как с увеличением р уменьшается магнитная энергии, необходимая для удержания плазмы, и повышается экономичность системы.

Как правило, в гшнчах для сжатого состояния плазмы характерна следующие параметры: концентрация - 101в 4- 1017 см-8, температура электронов и ионов от нескольких эВ до единиц кэВ и время удержания от единиц до десятков микросекунд.

В таких системах за время развития разряда концентрация и температура плазмы изменяется во времени и в пространстве на несколько порядков. Иными словами, для измерения основных параметров плазмы на разных стадиях разряда приходится использовать различные диагностические методы, а для измерения

1

каздого параметра целесообразно одновременно использовать ряд дополняющих друг др;та методов, тонкость которых часто определяется путем сопоставления.

Для измерения основных параметров плазмы (концентрации зарядов, электронной и ионной температуры) обычно используется ряд взаимодополняющих методов, обладаем:; различными простран-ственнмм и временным разрешением и диапазоном измеряемых величин. Более полно соответствуют современным требованиям диагностики оптик о-спектроскопические методы, вклвчаювне в себя как пассивные, то есть не зпосявдс возмущения а плазму и использукг;не регистрацию излучения самой плазмы (нетолп доплеропского и птар-::ова:ого уинрения дейтериеэии линия, многолучевой илирен осцилографни, сверхскоростной Фотсрегистрацпи), так и активные, использующие зондирование плазмы пучкам;! света оптических квантовых генераторов - ОКГ (двухзкспозиционннап гологра^кческая интерферометрия).

Такой подход к реиенига проблеми развивается в Сухумском государственном университете, где сооружена сильноточная установка А1ЩАБЗ-2 для получения плазмы тета-пинча и деления ряда принципиальных физических задач, в частности: 1. найти условия при которых вознезна динамическая стабилизация !1ГД псустойчиБостей о тета-пинчах; 2. установить закономерности оптимальных резимов сжатия и нагрева плазмы; 3. провести исследование влияния концевых потерь на удергание плазмы з таких системах.

Настоящая диссертационная работа по своей сущности является значительной часть» экспериментальных исследований, выполненных в лаборатории Импульсный процессов ЛГУ в 1070-1091 г.г. и посвяяена созданию установки для получения плг1змы тета-пинча, методам автоматизации получения плазми и контроля параметров установки, а тагсхе оптической диагностике плазмы э линчевал разряда* с автоматическим сбором данных. В данной работе в качестве оснозного экспериментального метода исследования плазми использовалась оптическая диагностика, основанная на регистрации собст-

2

венного излучения плазмы. Практический интерес к оптической диагностике плазмы обусловлен перспективами ее прииенения для исследования плазмы в работах по осуществлению УТС, в космических и астрофизических исследованиях, а такхе в многочисленных исследованиях по технологическим применениям плазмы.

Пядь ч оснопние папауч работ»

Целью настоящей работы являлось: создание автоматизированной установки для получения плазмы тета-пинча, разработка методов автоматизации контроля параметров установки, а также автоматизированного сбора данных и их обработки при оптической диагностике плазмы в пинчевих разрядах; исследование возможностей и параметров созданной установки и получаемой на ней плазмы оптико-спектроскопическими методами. В соответствии с поставленной целью основные задачи работы состояли в следующем:

разработка конструкции и создание мощного высоконадежного генератора импульсного тока (ГИТ) для получения высокотемпературной плазмы нетодом индукционного нагрева;

- создание системы автоматизации для управления ГИТ и контроля параметров энергосистемы для обнаружения оптимальных реаимов работы ГИТ с точки зрения нагрева и устойчивости плазмы -.¡а основе ПИВК;

- исследование методов увеличения времени существования плазмы в тшчевых разрядах и их использование в ГИТ;

- исследование предварительного нагрева плазмы б тета-пинче и его влияния на условия развития разряда;

- исследование свойств плазмы в самосхинакценся разряде методом оптической диагностики собственного излучения плазмы с высоким временным разрешением, и автоматизированным сбором и обработкой данных.

3

1. Проведены измерения параметров закорачивающего разрядника с помощью автоматизированной системы измерений на основе персонального компьютера и получены результаты, позволившие произвести оптимальный выбор режима работы закорачивающего разрядника в установке "АМЦАБЗ-2" и увеличить время существования разряда.

2. Создана автоматизированная сильноточная установка "АКЦАБЗ-2" с системой управления режимами и контроля параметров для получения и исследования плазмы тета-пинча на основе персонального компьютера, что позволило повысить надежность работы установки и стабилизировать параметры получаемой плазмы.

3. Создана автоматизированная система сбора данный с диагностической аппаратуры установки "А11ЦАБЗ-2" для измерения параметров плазмы методами оптической диагностики собственного излучения плазмы с высоким ие-'.меннын разрешением.

4. С помощью автоматизированной системы управления, контроля параметров и сбора, позволившей стабилизировать параметры плазмы и производить количественный учет вклада энергии в плазму, получены достоверные и высокоточные результаты о динамике электронной температуры во время разряда тета-пинча в установке АКЦАБЗ-2.

Результаты разработки и создания системы автоматизации установки "АМЦАБЗ-2" могут быть использованы для создания систем автоматизации более мощных установок получения плазмы.

Результаты исследования и применения закорачивающего разрядника в установке "АМЦАБЗ-2" могут быть использованы в других установках для увеличения времени существования плазмы.

Изложенные в диссертационной работе материалы докладывались

на:

- IV Всесоюзной конференции по когерентной оптике и голографии, г. Куйбышев, 1986 г.

4

- I Всесоюзном совещании "Компьютерная оптика", г. Звенигород, 19S6 г.

- Всесоюзной конференции по вычислительной физике плазмы, г. Сухуми, 1988 г.

- III Всесоюзном 'совещании "Компьютерная оптика", г. Сухуми, 1988 г.

- IV Всесоюзном совещании "Компьютерная оптика", г. Тольятти, 1990 г.

- Конференции молодых физиков вузов Грузии, г. Тбилиси, 1980

г.

ПУбдмкашш.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и ofj-ьем лиггрртяпии

Диссертация состоит из сведения, четырех глав, заключения и Содержит страниц текста. 28 рисунков, 5 таблиц и список

цитируемой литературы из 109 наименований.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вс г.прп^нни дается обоснование выбора темы, определена цель исследований, кратко изложено основное содержание диссертации.

Первая гляяя посвящена анализу классификации основных типов установок и методов получения плазмы, а так же основным методом диагностики плазмы. Рассматриваются три основных типа установок, предназначенных для изучения свойств плазмы: 1. квазистационарные. - с длительностью процесса разряда от сотен милесекунд до нескольких секунд - типа "Токамак"; 2. быстрые - с длительностью процесса разряда десятки микросекунд. В этот тип входят импульсные, самосжатые, сильноточные разряды типа зет- и тета-пннчей и комбинированный пинч; 3. сверхбыстрые - с длительностью

процесса десятки наносекунд - лазерный или релятивиский электронный управляемый термоядерный синтез (УТС). Подробно описываются установки второго типа и в частности линейный тета-пннч в котором для создания тока в плазме используется эффект магнитной индукции. Ввиду того, что в таких разрядах ндуктируется разряд в азимутальном направлении, он получил название индукционный, тета или азимутальный пинч. Первые в СССР исследования тета-пинча были начаты в Сухумском Физико-техническом институте (СФТН), где в 1960г. работала самая мощная в мире установка { 400 кДж) такого типа. Далее описаны способы повышения характеристик пинчевых установок на основе применения малоиндуктивных сильноточных вакуумных разрядников, программирования полей и токов, введения предварительной ионизации, предварительного нагрева, захвата стационарного магнитного поля и др. Увеличение длительности удержания и нагрева плазмы со стандартных для пинчсвих разрядов 10-^15 мксек до 100 мксек достигается методом закорачивания тока.

Диагностические методы условно разделяются на две группы. В первую входят методы определения электротехнических параметров, энергетического комплекса, а так зе измерения качественных характеристик разряда. Эти методики используются в кагдон эксперименте независимо от конкретного исследования и служат для оперативного контроля режимов разряда. Во вторую группу входят методики, предназначенные для измерения основных параметров плазмы и исследования определенных Физических явлений. Описаны методы и приборы для измерения параметров энергетического комплекса и характеристик разряда. Далее описаны основные пасизные и активные оптические методы измерения основных параметров плазмы (концентрации зарядов, электронной и ионной температуры). Обосновываются преимущества спектроскопической диагностики плазмы с использованием фотоэлектрических методов измерения, дающей в сочетании с пространственной или временной разверткой исключи-

6

тельмо богатую информацию о свойствах плазмы. Отмечены недостатки и преимущества отдельных методов исследования для измерения различных параметров плазмы.

Втопэп гяапл посвящена описанию экспериментальной установки. Рассмотрены требования, предъявляемые к сильноточным импульсным установкам, и принципы работы таких установок. Определяются требования, предъявляемые ¡с энергокомплексан пинчевых установок: высокие скорость нарастания тока и магнитного поля во времена, температуг« и плотность плазмы; развертку во времени магнитного поля разрядного импульса и большую длительность времени удержания пдазки, палая индуктивность: высокое приложенное напряжение; синхронность работы; легкое и надежное управление б процессе эксплуатации; удобство для диагностики; Сояъшой срок службы. Описаны стандартные методы построения мощных генераторов импульсных токов (ГИТ), используемые в них элементы. Далее описана вновь разработанная и созданная в АГУ тапульснан сильноточная установка "АМЦАБЗ-2" в которой предусмотрены возможность применения системы закорачивания тока для увеличения ьрскенн существования плазменного шнура, системы управления и контроля энергокомплексом с помощью ЭВМ, а также возможность программирования полей и токов. Установка расчитана на получения плазмы со следующими параметрами: Ме - 101в+1017, Те до 0,5 Кэв, Ti до 0,1 Кэв, время удерхамиа - 12+14 мкс. Блок-схема установки приведена на рис. 1. Установка включает в себя: одповиткопый соленоид (С), в котором создастся поле; батарею накопители п;шча (БТ) с разрядниками (Г) и короткозамыкателем (КЗ), состоящего из 32-х модулей; три модуля накопителя преднагрева (БП) с разрядниками (Р) и кероткозамыкателлми (КЗ); высоковольтный импульсной модулятор (СИИ) с игнитронами (И) и короткоэакыкателями (КЗ), состоящий из двух модулей; ЗЙ-х канальный генератор поджигающих импульсов канала тета-пинчп (ГПИ); генератор подвигающих импульсов преднагрева (ГПИП); бло* управления игнитронами (БУИ); генераторы управляющих импульсов (ГУИ); три управляемых источника питания (УИП).

7

Рис.1 Блок-схема автоматизированной установки ЛМЦАБЗ-2 для получения и исследования плазмы тета-пинча.

Эпс-ргокомплекс установки состоит из трех сонорных каналов: батареи тет«-пин':а, Сатуреи предварительного нагрева и высоковольтного ннлульемого модулятора (СИМ). Батарея предварительного нагрев* слугиг дли подготовки плаэми путем слабого ее нагрсна что дает возможность солее полного использования энергии, накап.-.и-ваеьой в капали .ета-пинча. Батарея, создающая квазистационар^ое обратное поле (БИЯ), предназначена цяи компенсации захваченного тета-рпзрпдом магнитного полк. При гтои в одновитковс;'; катуаке длиной 27 сп и диаметром 80 мм, создаются следугцре пагш<тнмс поля: импульсные от основного канала тета-пинча ДО 9 Тл, от канала иреваритсдыюго нагреве до 0, ' Тл и кваэистационарнос от батареи ВКЫ до 0.9 Тл. Разрядная капера представляет собой трубку длиной 100 см с внутренним диаметром 30 мк, изготовленную и3 кварц;. Приведены обоснивания и расчеты для выбора ткгюв и параметров элементов установки, временная диаграмма работы установки "АИ1АБЗ-2" и принципы контроля ее параметров.

Далее в главе описаны принципы применения и экспериментальные данные по использованию закорачиваюиего разрядника для увеличения времени удержании плазмы. Для передачи максимальной доли энергии, запасенной в батарее конденсаторов, в индуктивную нагрузку с последующим неосциллируюшим затуханием тока применяют мадоинлуктивные устройства, которые закорачивают батарею конденсаторов вблизи максимума тока в первом полупериоде колебательього процесса. Применение такого устройства на импульсной установке индукционного тета пинча позволяет при высокой скорости нарастания тока получать в индуктивной нагрузке импульсные магнитные поля со временем существования до 100 икс. Наиболее перспективно использование для этого двухэлектродного разрядника с давлением рабочего газа в разрядной камере больие атмосферного и включением нелинейной индуктивности. Были проведены исследования закорачиваюиего разрядника с целью изучения процесса иакаг-ничиваемости Ферритовыи колец в сильном магнитном поле в зависимости от времени и определения минимальной длины коаксиальной линии, обеспечивающей высокое начальное входное сопротивление.

9

Кроме того проведены исстецорэния зависимости проводимости зако-рачиглвсего гсзрядника от давления воздуха в разрядном обьем«-. Давление менялось от 1 до 2,6 г:и ступенями через 0,4 атм Прозеденние исследоиания позволил» определить оптимальнее ха рактеристики разрядит:;» длп использования в установке АМЦАБЗ-;:.

В результате работы разработана и создана усовершенствованная установка тета-пинчо АМЦАБЗ-2 с магнитными импульсными полями от основного канала тета-пинча до Э Тл, от канала прс-;;а рит^льито нагрева до 0,7 Тл кваэиет?ииоиармое от батарея ГЧМ до 0,9 Тл. для получения плазмы со следующими параметрами: Не -1С-,3 :-193 7 , Те до n,5 Кэи, Ti до 0,1 К->п, время удержания - 124-11 иксе:;. Применение г- схеме установка зисорачизаюкн/ разрядников позволяет увеличить время удержан:::: до 100 мкеек.

?. третьей гла°е описана система автоматизации предназначенная лля управления и контроля параметров установки, а так же для ссора данных при диагностике плазм». Для проведения экспериментов по исследованию закорачивающего разрядника била создана система автоматизации на основе персонального компьютера. Автоматизация этого эксперимента не представляла большой сложности, так как Форму тока через разрядник достаточно определить в 10:20 точках с шагом 10+20 мкеек. Создание этой системы позволило накопить опыт для последующей автоматизации всея системы упрзрления установкой АМЦЛБЗ-2, так как при проведении эксперимента проводятся действия, аналогичные работе с установкой. Цикл измерения состазляет 120 сек и средний поток данных измерения и команд управления не превышает 10 байт/сек. Система автоматизации построена на ПИВК. В|сл1эчаюдсм персональный компьютер типа ПРЛВЕЦ-8, с оперативной память» обьс-мом В4 KB и двумя приводами гибкого диска обьемом 143 ХВ. Для связи с экспериментом использована система КЛМАК. В системе автоматизации используются АЦП типа А11П-14 и 9094 Фирмы NE. Измеряемыг напряжения подаптся на АЦП с помощью релейного мультиплексора типа 750 (POLON), выходкой регистр типа 360В (POLCN), входной регистр типа 305 (PQL0N). Ток в закорачивающем разряднике

10

измеряется с помощью АЦП типа 9094 напряжение на который подается с пояса Рогопского через делители.N АЦП 9094 позволяет при специальной схеме включения измерять входное напряжение последовательно в 16 точках с шагом 10 мкеек с запоминанием результата в буферной памяти. Программа управления экспериментом написана на языке APPLESOFT, записанном в ПЗУ компьютера.

Для управления установкой АМЦАБЗ-2 и контроля ее параметров была создана автоматизированная система управления, которая выполняет следующие Функции: обеспечивает безопасное обслуживание установки; осуществляет дистанционное включение питания установки; осуществляет управление клапаном и компрессором, обеспечивающих продувку и заполнение разрядников воздухом до заданного давления; осуществляет заряд конденсаторов накопителей пинча, преднагрева и БИМа до заданных напряжений; осуществляет контроль качества накопительных конденсаторов; осуществляет запуск различных частей установки по заданной временной диаграмме: осуществляет контроль разряда накопительных конденсаторов путем измерения тока через разрядники; осуществляет контроль полк в одновитковом соленоиде и тока в нем во время разряда; контролирует состояние высоковольтных источников питания и коротко-эамыкателей, не допуская запуска установки при неправильной их работе; обеспечивает аварийное отключение установки при возникновении аварийных ситуаций. При подготовке и первой фаза проведения эксперимента, общий поток данных составляет порядка 2 КБайт/сек. Измерения, проводимые для контроля работы установки во время разряда, носят однократный характер и поток данных составляет порядка 150 Байт на разряд.

Основными требованиями, предъявляемыми к системе автоматизации управления установкой АЦАБЗ-2, являются следующие: высокая надежность системы автоматизации; применяемое оборудование должно обеспечивать простое изменение конфигурации системы автомхтизации при перестройке установки и изменении требований к ней со стороны эксперимента; технические средства должны обладать производительностью, достаточной для работы в критических по быстро-

действию ситуациях. Для решения задачи автоматизации с учетом потоков данных был использован ПИВК с персональным компьютером типа IBM PC/XT а системой КАНАК. Измерительная часть включает едим крент ХЛНАХ, управляемый крейт-коптроллером типа СС32. Крейт-комтроллер обменивается информацией с компьютером по прог-ракиному накалу. Для измерения медленно мемпюиихся напряжений использованы аналоговый мультиплексор типа 750 я АЦП-1-1. При использовании таких модулей время опроса всех каналов составит 105 ысек. Для измерения импульсных нйпряхзний с датчиков тока через разрядники применен специальный импульсный АЦП типа РW)C-0, разработанная а ЦКБ УП РДК. Для измерения тока з одновпткеаом соленоиде используется АЦП типа 90iH, как и эксперименте с закорачивающим разрядником. Для измерения импульсного папрнхгкия с датчиков поля использовался модуль типа AD811. Для контроля состояния установки и ее эленептоз используется входной регистр типа 303, а для управлении установкой - выходной регистр типа 360В. Для отработки необходимой временной диаграммы запуска элементов установки и диагностической аппаратуры используется модуль программируемой задерзки типа TIM-16. так хе разработанный в ЦКБ УП РАН.

Программа управления установкой общается с оператором-экспериментатором с помодыэ интерфейса с влохенкыми меню в многоокопном режиме с разлитой подсистемой подсказов и контроля действий оператора для исключения неправильных действий. Вначале программа производит установку соответствующих элементов А1ЩАБЗ-2 в начальное состояние. Затем оператор задаст режим работы установки и выдает команду запуска. Программа производит подготовку установки, включение высоковольтных источников питания и заряд накопительных конденсаторов до заданных напряжений. При заряде осуществляется контроль качества конденсаторов и при появлении недопустимых изменений их параметров производится останов заряда и отключение установки. Оператору выдается соответствуюиее сообщение с указанием причины отключения и диагностики состояния конденсаторов. После достиаения заданного

12

реьяма установки программа выдаст сообщение и запрос оператору на проведение разряда. При получении подтверждения производится разряд. После разряда производится считывание значений тока через разрядники, тока в соленоиде и напряжений с датчиков поля.

После эксперимента оператор может вывести полученные данные о работе установки на экран монитора, диск или принтер.

Во время всего эксперимента система производит непрерывный контроль состояния элементов установки и в случае возникновения особых ситуаций отключает источники питания и разряжает накопительные конденсаторы с помощью короткозамыкателей.

Для исследования получаемой на установке АМЦАБЗ-2 плазмы оптико-спгктросхопическими методами с фотоэлектрической регистрацией и высоким временным разрешением используется тот же ПНВК. Для исследования отиоститедьиого изменения во времени двух лшшй излучения используются три скоростных АЦП типа 4226. На два из них подаются сигналы с ФЭУ, измеряющих интенсивности выбранных лшшй, а т третий - с ФЭУ, нзмеряюнего кнтзнсигшость Фона. АЦП запускаются от модуля программируемой задержки в опредегешши экспериментатором момент времени и производят измерения с сагон 60 нсек. При объеме буферной памяти каждого АЦП 1024 отсчета обцее время измерения составит 50 нксек. Данные из АЦП счп-тываются в компьютер после разряда и обрабатываются специальной программой, позволяющей выполнить необходимые действия над полученными данными, выдать результат на экран в многооконном режиме и на принтер.

Использование установки АМЦАБЗ-2 совместно с автоматизированной системой управления и контроля параметров позволяет существенно повысить надежность ее работы, повторяемость параметров разрядов и достоверность получаемых результатов по исследо-. ванию плазмы. Автоматизация регистрации спектров позволяет резко увеличить объем получаемой информации, непосредственно получать результаты с точностью, превышающей на порядок точность всех других методов, в так же резко сократить время между экспери-

13

ментом и получением результатов. Высокое временное разрешение использованной аппаратуры позволяет получить данные о развитии процессов в плазме тета-пннча за время одного разряда.

П чятпептой глав« рассматриваются аппаратура, используемая при исследовании плазмы и анализируются экспериментальные данные, полученные в процессе диагностики плазмы тета-пинча на установке ЛМЦАБЗ-2 оптико-спектроскопическиии методами. С помощью полученных данных можно судить о динамике плазмы, а также о ее взаимодействии со стенками разрядной камеры.

Определение электронной температуры в плазме основано на модели локального термодинамического равновесия (ЛТР). Процесс возбуждения атомов и ионов в пинчах происходит очень быстро - в установке АМЦАБЗ-2 за 0,34+0,5 мкс. С другой стороны при начальных давлениях в разрядной канере 0,1 +-1,5 Тор концентрация электронов Не меняется от Ю14 до 1018 см~3 в зависимости от степени сгатия плазмы в пинче. При таких концентрациях должно существовать локальное термодинамическое равновесие, и электронная температура может быть определена из отношения интенсивностей линий, относящихся к разным стадиям ионизации, в работе - линий. Не I 4471Д и Не II 4686А. Электронная температура может бить определена и из отношения интенсивностей двух линий одного и того же иона, при этом температура электронов обратно пропорциональна логарифму отношения полных интенсивностей линий, возникающих при переходах с различных верхних уровней. В начальной Фазе пинча, когда во время сжатия плазмы идет процесс интенсивного разогрева и увеличения плотности, не совсем коретны допущения о выполнимости локального термодинамического или коронального равновесия. В связи с этим использовался способ определения температуры по временному ходу изменения интенсивностей спектральных линий. Для получения дополнительной информации о развитии разряда измерялись интенсивности Бальмеровоких линий дейтерия, нейтрального гелия, ионизованного гелия, дважды ионизированного кислорода и трижды ионизованного углерода.

14

Для исследований плазмы использовалась аппаратура, включающая спектрограф ИСП-51, обеспечивющий дисперсию на выходе ЗОА/мм приЛ = 4700Й. Спектограф снабжен микрорметрическим винтом для поворота диспергирующих призм, что позволяет выводить на выходную щель оптической системы любой участок спектра в диапазоне 3800+10000А. Для градуировки микрометрического винта по длинам волн служит микроскоп, установленный на выходе спектрографа. Волоконная оптика проектирует различные участки спектра на Фотоприемники, с которых сигналы поступают на АЦП системы регистрации. Время разрешения регистрирующей системы составляет 50 не, а минимальный световой поток который удовлетворительно регистрирует система составляет 10_в люмен. Предварительная оценка спектрального состава излучения плазмы и градуировка спектрографа велась методом фотометрирования. Наблюдение осуществлялось с торца разрядной камеры, рабочие пленки расшифровывались с помощью измерений на компараторе и по таблицам спектральных линий. Предварительно спектрограф ИСП-51 был проградуирован по известному спектру лампы ДРГС-2. После предварительной оценки состава плазмы проводилась фотоэлектрическая регистрация наиболее ярких и удобных для наблюдения линий. Это линии атомарного водорода П^ 4861 А, линия однократно ионизированного кислорода 011 4649Х и линии двукратно ионизированного кремния Б1Ш 4552Х. С помощью этих линий измерялась электронная температура плазмы в диапазоне 5*25 эВ. Соответствующие измерения по определению температуры электронов были прозедены и исследованы для следующих режимов: 1. Р=100 мтор без преднагрева; 2. Р=100 мтор с пред-, нагревом. Для всех случаев А=600 кА. По интенсивностям спектральных линий Не I 4713 А и Не I 5047, используя описанную выше методику, были получены результаты: 1. Те= 7 эВ; 2. Те= 9 эВ.

Цикл проведенных экспериментов имел целью изучение общей картины развития процессов возбуждения, ионизации и рекомбинации в плазме тета-пинча. В данных экспериментах плазменный ток, наведенный обмоткой тета-пиича, менялся от 500 до 800 кА. Для выяснения оптимального рехима по нагреву и поведению основного

15

параметра глаэмм - концентрации электронной компоненты, была использована линия 4686 А ионизованного гелия. Для определения электронной температуры использовались линии Не I 4471А и Не II 4686А и измерялись характерные времена появления спектральных линий ионов в плазме тета-пинча.

Полученные зависимости изменения электронной температуры и концентрации дают представление о процессах протекающих в плазме в зависимости от времени. В начале полупериода тока светятся обе линг.и Не I 4471А и Не II 4686Й, интенсивность линии 4471Д в течение менее чем 1 икс круто растет, причем ее пик приходится примерно на середину фронта нарастания интенсивности линии 4836&. В этот момент идет быстрая ионизация атомов гелия за счет электронных ударов. Число нейтральных атомов гелия внутри плазменного цилиндра быстро умемыаается, интенсивность линии 4471Л достигает максимума а затем спадает. На момент 1=2 икс приходится пик интенсивности линии 4(538Л. Электронная температура при этом принимает свое наибольшее значение. После г=2 мке интенсивность линии 4471Л в начале несколько увеличивается, что объясняется процессом гекомбинации иоиоз гелкг, а затеи круто спадает до некоторого значения к моменту прохождения тока через ноль. Этому же моменту (конец полупериода тока) соответствует минимум электронной температуры плазмы. Температура не сильно меняется при изменении начальных давлений в разрядной камере. Получены также зависимости интенсивности свечения спектральных линий водорода, углерода, кислорода от времени.

В результате исследований, проведенных на автоматизированной установке АМЦАБЗ-2 определено, что наиболее оптимальные и воспроизводимые' результаты в пинчешх разрядах получаются при предварительно нагретой плазме с температурой 3+5 эВ и степень» попнэации 50+100%. Полученная информация из спектроскопических измерений о динамике поведения основного газа и примесей, фотоэлектрическим методом хорошо согласуется с другими диагностическими методами определения параметров. Оптоэлектрический

16

ньтод с высоким временным разрешением позволил получить достоверные данные о динамике электронной температуры во время разряда тета-пинча на установке ЛМЦАБЗ-2.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана и создана усовершенствованна!! автоматизированная сильноточная импульсная установка ПИЦАБЗ-2 с магнитными иипульсными полями от основного канала тета-пинча до S Тл, от канала преварительного нагрева до 0,7 Тл и квазпста-ционарное от батареи ВИ.Ч до 0,9 Тл. для получения плазмы со следующими параметрами: Но - 101е+101'', Те до 0,5 Кэв, Ti до 0,1 Кэв, вреия удержания - 12+14 мксек.

2. Проведены исследования закорачивающего разрпдишса которые позволили определить оптимальные характеристики разрядника для использования в установке "АКЦАБЗ-2. Определено, что применение в схеме установки закорачивающих разрядников позволяет увеличить время удержания плазмы до 100 мксек.

3. Создана автоматизированная система управления и контроля параметров установки А1ЩАБЗ-2 на основе персонального коипьвтера и системы КАМАК, которая позволила существенно повысить надежность работы установки, увеличить повторяемость параметров разрядов и, следовательно, достоверность получаемых результатов по исследованию плазнц. Показана возможность использования систем автоматизации такого типа для управления и контроля параметров с аналогичных и более мощных установках для получения плазмы.

4. Автоматизация регистрации спектров позволяет резко увеличить объем получаемой информации, непосредственно получать результаты с точностью, преваиающей на порядок точность всех других методов, а так ас резко сократить время кеззду экспериментом и получением результатов. Высокое временное разрешение использованной аппаратуры позволяет получить данные о развитии процессов в плазме тета-пинча за время одного разряда.

17

5. Исследования плаэкы тета-пинча, проведенные ма устанозеке А14ЦАБЗ-2 с помощью автоматизированной систегн показали, что наиболее оптимальные и воспроизводите результаты в пинчевых разрядах получается при преднагреве плазму до температуры порядкп 3+5 зЗ и степени ионизации 50+100%. Комент появления примесей в плаэмз не связан с условием возникновения разряда, а определяется поступлением их в сЗьен каперы при возникновении неустойчивости плазменного внура. Оптоэлектрический метод с высоким временным разрешением позволил получить достоверные данные о динамике электронной температуры во время разряда тата-пинча на установке А1ЩАБЗ-2.

Основные положения и результаты диссертации опубянкогаиы Cí-здуюзшх печатни* р&ботах:

1. Пагбая И. Д. .Гваладзе Ю.С., Отляванчик 2.Л., Отлив&ичнк H.A., Сакап Б.Р., Сисакян H.H., Чантуркя Т.Г. Лнтопатиэпция систенн закорачивания тока яри исследовании плазмы. Препринт !! 203, Институт общей физики АН СССР,- М..19СС.

2. Багбая И.Д., Гваладзе Ю.С., Отлииаг.чик Е.Л. , Отяивамчик H.A., Саная Б.Р., Сисакян И.К., Чаптурия Т.Г. Автоматизация систени управления установкой АМЦАБЗ. Препринт !1 2В7. Институт обдей физики АН СССР,- Ii., 1987.

3. Багбая И.Д., Гваладзе 10.С., Отливанчик Е.А., Отлпэанчш: М.А., Синая Б.Р., Сисакян И.Я., Чатрурия Т.Г. Персональной компьютер в эксперименте по исследованию закорачивающего разрядника.- Компьютерная оптика. Автоматизация проектирования я технологии. Международный центр научной и технической информации. Институт общей физик» АН СССР, 11.,1887, вип.2, С.41-54.

4. Багбая И.Д., Гваладзе 10.е., Сапап Б.Р., Чаптурия Т.Г. Импульсные системы с магнптким удераанием плазмы. Новости .термоядерных исследований, - II., 3 /45 /, 1987, с. 9-10.

18

5. Багбая 1!.Д. , Гваладзе Ю.С., Кадца И.Я., Салуквадзе Р.Г., Саная Б.Р.. Чантурия Т.Г. Измерение ионной температуры плазмы тета-пинча по Допплеровскому измерению спектральных линий водорода. Межвузовски« сборник. Оптическая запись и обработка

6. Саная Б.Р., Чантурия Т.Г. Спектроскопические исследования плазмы тета-пинча. Труды Тбилисского государственного университета, Тбилиси, 1908.

7. Багбая И.Д., Отливаичик Е.А., Саная Б.Р., Чантурия Т.Г. Автоматизированная система управления зарядом накопительны!: конденсаторов установки АМЦАБЗ-2. Труды Абхазского государственного университета, Сухуми, 1988.

8. Багбая И.Д., Гваладзе 10.е.. Саная Б.Р., Токер Г.Р.. Чантурия Т.Г. Голографическая интерферометрия плазмы тета-пинча на установке АМЦАБЗ-2. Журнал Собиення АН Грузинской ССР, Тбилиси, 1989.

{¡. Гольдинов Л.Л., Зукакиавнли Г.Г., Саная Б.Р., Токер Г. Р., Чантурия Т.Г., Швангирадзе Д.Р. ГолограФическая интерферометрия плазмы тета-пинча. Препринт СФТИ 91-17, Ыоскза, ЦНИИ атомкнфорк, 1991.

информации. Куйбыаев, КуАИ, 1988.