Процесс формирования токового слоя в аргоновом лайнере и его влияние на динамику имплозии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

1 о ФЕЗ 1С23

1 О ФВ ^

На правах рукописи

Русских Александр Геннадьевич

ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ токового СЛОЯ в АРГОНОВОМ ЛАЙНЕРЕ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ДИНАМИКУ ИМПЛОЗИИ

01.04.13 - электрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 1998 г.

Работа выполнена в Институте сильноточной электроники Сибирского отделения Российской Академии наук, г.Томск.

Научный руководитель: д.ф.-м.н.

Бакшт Рина Борисовна.

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н.

Козырев Андрей Владимирович (Томский Государственный университет)

к.ф.-м.н.

Коваль Николай Николаевич (Институт синьноточной электроники СО РАН, г.Томск)

Ведущая организация:

Институт ядерного синтеза РНЦ "Курчатовский институт" (г.Москва)

Защита диссертации состоится " " 1998 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.003.41.01 при Институте сильноточной элеюроники СО РАН (634055, г.Томск, пр.Академический, 4)

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

Автореферат разослан " " 1998 г.

Ученый секретарь _ / а /

диссертационного совета / —

д.ф.-м.н., проф. // Д.И.Проскуровский

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Имплозия полого 21-пинча на сегодняшний день является одним из наиболее эффективных средств получения плотной высокотемпературной плазмы. Актуальность получения такой плазмы обусловлена рядом задач, связанных с созданием мощных источников рентгеновского излучения как в области вакуумного ультрафиолета, так и в области жесткого рентгеновского излучения. Не менее перспективным и многообещающим является использование Z - пинчей в качестве одного из методов инерциального термоядерного синтеза, что подтверждается интенсивным развитием долговременных программ ШТ и в США. Наряду с приведенным!

практическими целями горячая, плотная плазма представляет существенный научный интерес, поскольку несмотря на огромное число работ в этой области, плазма с параметрами, характерные для 2- пинчей остается все еще слабо изученной.

Наиболее простым типом 2-пинча является однокаскадный проволочный либо газовый лайнер, сжимаемый током мегаамперного уровня. Эффективному преобразованию энергии генератора в тепловую энергию плазмы одкокаскадного лайнера препятствует развитие Рэлей-Тейлоровских неустойчивостей, возникающее в процессе сжатия лайнера.

В последнее время в экспериментах с имплозией многокаскадных лайнеров широко применяются "комбинированные" схемы. В этих схемах внешний, как правило, газовый лайнер используется для передачи мощности в расположенную в его внутренней полости нагрузку. Такой нагрузкой может являться либо цилиндр из пористого вещества, либо замороженный дейтерированный файбер, либо проводник.

Ранее была показана перспективность использования двухкаскадных газовых лайнеров. Использование двухкаскадных лайнеров в определенных условиях обеспечивает подавление неустойчивостей и, следовательно, способствует повышению средней температуры и концентрации сжатого вещества. Это позволяет в свою очередь повысить такие энергетические характеристики имплозии как мощность и энергию рентгеновского излучения.

В Институте сильноточной электроники СО РАН, начиная с 1985 года, наряду с однокаскадным проволочным лайнером также получил развитие и многокаскадный газовый лайнер. Исследования таких систем проводились, в основном, на установках: ИМРИ-3, ИМРИ-4, СНОП-3, ГИТ-4, ГИТ-12. Данные исследования проводились разными авторами и были посвящены различным аспектам изучения параметров плазмы, получаемой в результате сжатия 2-гопгча. Несмотря на то, что использование двухкаскадного (чаще всего аргонового) лайнера позволило поднять мощность и энергию излучения как в области вакуумного ультрафиолета,

так и в области К- линий используемого газа (для К - линий Аг до Р=58.7 ГВт и Е=440 Дж), увеличение числа каскадов в лайнере не является достаточным условием улучшения результирующих параметров имплозии. Появление еще одного каскада еще более усложнило и без того не простую картину начальной фазы протекания тока через газовую среду теперь уже двухкаскадного газового лайнера.

В диссертации исследованы условия, при которых происходит разделение тока генератора между внутренней и внешней оболочкой двухкаскадного аргонового лайнера. Приведены экспериментальные и теоретические оценки параметров предыонизации, основанной на использовании вспышки ультрафиолетового излучения. Предложена и экспериментально показана высокая эффективность новой системы предыонизации, основанной на использовании магнетронного разряда в скрещенных ЕхВ полях. Проведено исследование степени влияния предыонизации на процесс образования токового слоя в газовом лайнере. Показано, что в зависимости от методики и степени подготовленности газовой среды лайнера проводить ток, пробой газовой оболочки может происходить как в виде формирования отдельных токовых каналов, так и в виде формирования однородного скин-слоя. Экспериментально показано, что предыонизация газового лайнера является достаточно мощным фактором, с помощью которого можно влиять на процессы, происходящие в лайнере.

Цель работы

Целью настоящей работы, начатой в 1993 году, явилось: 1) исследование параметров искровой системы предыонизации, 2) исследование степени влияния предыонизации на динамику формирования токового слоя в газовом лайнере, 3) исследование влияния начальных условий формирования токового слоя в условиях одно - и двухкаскадного аргонового лайнера на динамику и конечные параметры сжатия, 4) создание методики подготовки газовой среды лайнера, позволяющей избежать разделения тока генератора между внешней "и внутренней оболочками двухкаскадного лайнера, 5) создание системы предыонизации, позволяющей получить равномерно предыонизованную плазменную оболочку с достаточно высокой степенью ионизации газа.

Научная новизна

1. Исследованы характеристики искровой системы предыонизации в условиях сверхзвукового газового потока лайнерной системы.

2. Предложена система предыонизации газового лайнера на основе использования магнетронного разряда в скрещенных Е.\В полях и исследована возможность ее применения в реальных экспериментах.

3. Исследован процесс разделения тока генератора между внутренней и внешней оболочками двухкаскадного лайнера и найдены режимы, в которых данного разделения не происходит.

4. Исследована зависимость динамики образования токовой оболочки и последующего сжатия газового лайнера от предыонизацин.

Научная и практическая ценность работы

Результаты работы вносят вклад в понимание процессов формирования токовой оболочки лайнерных систем. Полученные экспериментальные результаты позволяют выполнить теоретические оценки процесса сжатая на качественно новом уровне.

Обнаружены условия, при которых возможно создание однородного, стабильного, с малым разбросом параметров плазменного столба. Это не только позволит повысить выходные характеристики имплозии, но и расширит сферу применения лайнерных систем.

Результаты исследований использованы при выполнении контракта с Агентством по ядерным исследованиям США DNA- 93-С-0042 и DSWA -97- С-0135.

Положения, выносимые на защиту

1. Создан и введен в эксплуатацию генератор тока микросекундного уровня ИМРИ-4 с амплитудой тока Im = 0.5 МА при напряжении зарядки U, = 30 кВ. Данная установка является уникальным диагностическим комплексом, позволяющим проводить исследования в области физики плазмы на высоком техническом уровне.

2. При использовании искровой системы предыонизации в газовой оболочке лайнера (Ыо=1.5-1015* МО17 см'3) возникают отдельные каналы, приводящие к развитию неустойчивостей при сжатии лайнера.

3. Основной трудностью формирования однородного токового слоя при использовании каскадированных лайнеров является разделение тока генератора между внешним и внутренним каскадами.

4. Предложенная система предыонизации, основанная на использовании магнетронного разряда (в скрещенных ЕхВ полях), позволяет создать условия, при которых ток генератора течет только по внешней оболочке лайнера в виде однородного токового слоя.

5. При использовании магнетронной системы предыонизации экспериментально продемонстрирована возможность однородного сжатия однокаскадного аргонового лайнера с начальным диаметром 60 мм, при этом в объеме плазменной оболочки не развиваются Релей-Тейлоровские неустойчивости.

Апробация работы

По теме диссертации опубликованы восемь печатных работ в таких журналах как "Письма в ЖТФ", "Физика плазмы" и "Laser and Particle Beams" (1987-1997 гг.). Результаты экспериментов были доложены автором на 36— ежегодной конференции по физике плазмы в Миннеаполисе (Миннеаполис, Минесота, США, 1994 г.), ХХП Звенигородской конференции по физике ятазмы и УТС (1995 г.), на 37— ежегодной конференции по физике плазмы в Лхизвилле (Луизвилл, Кетукки, США, 1995 г.), 4— Международной конференции по Z-пинчам в Ванкувере (Ванкувер, Канада, 1997 г.).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем 136 страниц машинописного текста (шрифт "Times New Roman Cyr-14"), 37 рисунков, 6 таблиц, 19 фотографий и 106 наименований в списке литературы.

П. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе приводятся результаты сравнительного анализа сжатия проволочных и газовых лайнеров. Отмечается, что сценарий формирования токовой оболочки газового лайнера значительно более сложен по сравнению с тем же процессом в случае проволочного лайнера. Диапазон физических процессов, происходящих при развитии газового пробоя и дальнейшего форьтрования токопроводящего слоя в условиях микро- и наносекундкых сильноточных генераторов с большим перенапряжением на межэлектродном промежутке чрезвычайно велик и все еще остается малоизученным. Однако, именно начальные условия формирования токовой оболочки газового лайнера в значительной мере определяют параметры финальной стадии сжатия газового лайнера.

Приведены основные параметры газовой оболочки для установок ИМРИ-4 и ГИТ-4 (табл. 1 и табл.2).

Дано физическое обоснование процессов, происходящих в газовом лайнере на этапе пробоя, формирования токового слоя и начальном этапе сжатия в зависимости от степени предыонизованности. газовой среды лайнера. Отмечается, что время формирования пробоя определяется интенсивностью процесса ионизации газа в межэлектродном промежутке на стадии развития одиночной электронной лавины и на последующих стадиях.

Таблица 1. Основные параметры газовой оболочки для установки ИМРИ-4.

. Параметр диаметр оболочки 60 мм диаметр оболочки 28 мм

Напряженность электрического поля в межэлектродном промежутке Е=25 кв/см Е=25 кв/см

Расстояние между электродами <1=1 см <1=1 см

Масса оболочки Моч( = 2 + 30 мкг/см М ¡п = 5 -¡-60 ьжг/см

Концентрация газа в оболочке Иот = 1.5-1015 + 2.2-1016 см"3 Ыт = 9-Ю15 + ЫО17 см"3

Произведение давления газа в оболочке на межэлектродное расстояние (рсОо* = 0.04 н- 0.6 торр-см (ра>„ = 0.3 + 3 торр-см.

Отношение напряженности электрического поля к давлению газа в оболочке лайнера (Е/р)ои, = 4-10^ 6-105 В/см -торр (Е/р)ш = 8-103 + 8-104 В/см -торр

Таблица 2. Основные параметры газовой оболочки для установки ГИТ -4.

Параметр лайнер с диаметром 60 мм лайнер с диаметром 28 мм

Напряженность электрического поля в межэлектродном промежутке Е ~ 300 кв/см Е ~ 300 кв/см

Расстояние между . электродами 6=2 см 6=2 см

Масса оболочки Мот = 40 мкг М„ = 40+140 мкг

Концентрация газа в оболочке N0^ = 3-1016 см"3 Нп= 7-Ю16* 2-Ю17 см"3

Произведение давления газа в оболочке на межэлектродное расстояние Срс1)ои1 = 1-6 торр-см (ра>д=5н-14 торр-см.

Отношение напряженности электрического поля к давлению газа в оболочке лайнера (Е/р)ои<~3.7-105 В/см -торр (Е/р)щ~4-104 + МО5 В/см -торр

Механизм появления электрона может быть различным (автоэлектронная, экзоэлектронная, взрывная эмиссия, автоэмиссия с микроострий). При не слишком больших напряженностях на межэлектродном промежутке время появления инициирующих электронов составляет более 1 мкс. Этот факт хорошо согласуется с экспериментальными даты ми для установки ИМРИ-4. Появление такого значительного времени запаздывания однозначно указывает на одноэлектронный тип пробоя, который чаще всего заканчивается формированием одиночного токового канала в произвольном месте газовой оболочки. Это, в свою очередь, вызывает крайне несимметричное, хаотичное, многократное сжатие лайнера. Данный процесс приобретает крайне нестабильный характер, особенно применительно к каскадированным газовым лайнерам, поскольку такой пробой может происходить как в объеме внешней, так и в объеме внутренней оболочки лайнера.

На сегодняшний день использование УФ излучения разряда, скользящего по поверхности диэлектрика в газе, является самым распространенным методом предыонизации. Концентрация фотоэлектронов Пе, получаемых с помощью искровой предыонизации различными авторами оценивается как п« =108 109 см'3. По результатам сжатия газовых лайнеров на установке ИМРИ-4 можно заключить, что как в области малых рс! (в крайней левой части кривой Пашена), где напряженность пробоя может достигать ипр« 10 кв/см при коэффициенте перенапряжения Кп « 2, так и при рс1 ~ 1 торр/см (минимум кривой Пашена) и К„ и 20, реализуется стримерный сценарий развития пробоя. Невозможность получения таунсендовского характера развития пробоя в условия искровой предыонизации обусловлена, во-первых, низкой проводимостью плазмы (это показано во второй главе) и, во-вторых, крайней неравномерностью предыонизации, создаваемой с помощью такой системы предыонизации. В частности, при расположении системы предыонизации со стороны катода во время свечения искры на катоде появляются катодные пятна, которые являются прекрасными эмиссионными центрами и при подаче напряжения на межэлектродный промежуток работают в режиме электронных пушек. В этом случае число токовых каналов будет совпадать с числом искровых зазоров.

Предложена система предыонизации, основанная на использовании магнетронного разряда в скрещенных ЕхВ полях, которая позволяет создать однородно ионизованную газовую струю с пе=10м + 1015 см'3 при N0 = 1015-^1016 см"3, что, в свою очередь, дает право говорить о многоэлектронном инициировании разряда и о проводимости таунсендовского характера. В экспериментах использовалось два типа магнетронного разряда: 1) пленарный магнетронный разряд и 2) цилиндрический магнетронный разряд.

Приведены некоторые особенности существования объемного газового разряда в скрещенных ЕхВ полях применительно к генераторам тока ИМРИ-4 и ГИТ-4. Отмечается, что при появлении магнитного поля В,

перпендикулярного к направлению поля Е, в лайнерной плазме возникает ряд явлений, связанных с дрейфом заряженных частиц. Приводятся оценки для градиентного дрейфа в неоднородном магнитном поле и отмечается, что аксиальное магнитное поле, возникающее вследствие градиентного дрейфа недостаточно, чтобы заметно повлиять на сжатие плазменной оболочки лайнера.

Приводятся оценки для Е х В дрейфа в условиях сталкновигельной плазмы. Отмечается, что введя в плазму поперечное магнитное поле, тем самым вводится в действие сила Лоренца Рл. Для удобства рассмотрения вводится система координат, в которой поле В направлено вдоль оси 2, а поле Е вдоль оси X (рис. 1).

Рис.1. Суперпозиция силовых линий и сил, действующих иа заряженную частииу при наличии ¿скрещенпыхЕхВ 1.1С&КЙ: !!Ж

Уравнение движешм однократно ионизованной частицы в такой системе имеет вид:

тс!у/сК=е(Е+ухВ) -т-ууга Скорость заряженной частицы V в общем случае имеет все три составляющие скоростей дрейфа иах, 1%, Ось- Решения системы уравнений для составляющих скорости дрейфа выглядят как: Щх = -д< • Ех / (1+а>н2^т2), Шу= ■ Ех • (юн ¿Чп )/(1+ГО|!2Л<т2), где Це - подвижность заряженной частицы в отсутств™ магнитного поля, ®н - циклотронная частота, ут-эффективная частота столкновений; Цс=е/гп-ут ,сон = е-Вг/т.

Проводимость плазмы, как и подвижность, является тензором. Для выбранной системы координат проводимость плазмы сгх вдоль электрического поля Ех и проводимость плазмы сту в поперечном к Е* и Вг направлении запишутся в виде: 0*= сто/(1+шн2^т2), <Ту=сго-(<вн/V,,!)/(1 +®н2/ут2), сто=е2-пе/т-ут, где сто - проводимость плазмы при отсутствии магнитного поля. В данном случае можно говорить о возникновении тока с плотностью ]ф= оу- Ех, который течет в объеме плазменной цилиндрической оболочки по замкнутому контуру поперек оси лайнера (рис.2). Плотность тока через лайнер в направлении поля Ех при

появлении поперечного магнитного поля уменьшается и становится =ах-Ех. Таким образом, в скрещенных ЕхВ полях дрейф имеет иное направление, чем электрическое поле. Дрейфовая скорость иау для электронов и ионов имеет одинаковое направление. Следствием этого является частичная компенсация токов, а плазма начинает закручиваться как единое целое в направлении иду.

Рис 2. Схема, суперпозиций

вснки и 'Газовой

обокочкв рмйнсра! . к Ж

Выражение для плотности дрейфового где -плотность дрейфового тока ионной и электронной компоненты, сгуь Стуе - ионная и электронная проводимости плазмы в направлении У.

Плотность некомпенсированного дрейфового тока для случая 100 % ионизации; В = 400Гс, Те=5 эв, Ы0 = 1015-г2-1016 см"3: е =19.36 -

77.5 кА/см2,

,|<р пах =135 кА/см2. Площадь поперечного сечения газовой оболочки лайнера в плоскости ХО! равна Бсеч^! см2. Тогда дрейфовый ток : Ьр = ■ Бмч = 19.36 * 77.5 кА, 1фтах =135 кА.

Дрейфовый ток может быть соизмерим с током генератора, протекающим через лайнер в направлении поля Ех. Вследствие протекания дрейфового тока I, вокруг плазмы наводится круговое магнитное поле Вх, которое соизмеримо по величине с полем Вф. Магнитное поле, которое будет создавать круговой дрейфовый ток 1Ф в центре витка с радиусом, равным радиусу внешней оболочки: Вх =1/2-ц-цо • У 1^=0.4+1.6 Тл, Вхтах =2.8 Тл, а это более чем достаточно, чтобы затруднить сжатие лайнера.

Направление дрейфового продольного поля Вх во внешней и внутренней части газовой оболочки лайнера противоположное. Распределение концентрации частиц по сечению имеет форму, приближенную к гауссовскому распределению, следовательно, по обе стороны от средней линии оболочки имеется нескомпенсированное поле Вх. Распределение поля Вх по сечению оболочки можно представить в виде кривой, показанной на рис.3. Поле В* как бы вморожено в создаваемую плазменную оболочку. Иными словами, плазменная оболочка как бы упакована между двух слоев продольного магнитного поля В*. В данной системе логично ожидать очень однородное сжатие без развития каких - либо неустойчивостей, поскольку возникновение любых неоднородностей в такой

системе будет приводить к сильным электрическим полям, не позволяющим им развиваться. ___

Газовая, оболочка

Распределение ко нче-нтраиии частиц

Распределение магнитнои индукции" Вх

Рис 3. Распределение

концентрации ■ гпа Ко(г) н магнитной индукции В, по сачетно газовой ••■ оболочка лзйнера;

Разумеется, что столь мощный стабилизирующий фактор сам по себе является положительным эффектом, однако, если рассматривать финальную стадию сжатия такой схемы, то можно ожидать резкое уменьшение коэффициента сжатия и выхода рентгеновского излучения. Положительный эффект в плане выхода рентгена и однородности сжатия можно ожидать, если внутрь созданной таким образом оболочки поместить еще одну газовую оболочку с метшим диаметром и большей массой. В данном случае можно ожидать, что внешняя, более легкая оболочка с вмороженным полем Вх будет сжимать внутреннюю, более тяжелую оболочку в режиме поршня. При этом реализуется режим, близкий к адиабатическому сжатию.

Оценена толщина скин-слоя в случае использования искровой предыонизации с типичной концентрацией электронов п. ~ 108 см"3 при Те=1 эв и для магнетронной предыонизации с типичной концентрацией электронов Пе ~ 1015 см'3 при Те=5 эв. Оценка приведена отдельно для установки ИМРИ-4 ( Г=0.25 МГц ) и ГИТ-4 ( 1-2 МГц ). Приведены соответствующие выводы. Основной вывод, сформулированный в данной главе, состоит в том, что выбирая определенный тип предыонизации газовой оболочки с определенными характеристиками, мы коренным образом меняем всю динамику сжатия лайнера.

Во второй главе описаны: 1) искровая (рис.4) и магнетронная (рис.5) системы предыонизации, их конструктивные особенности и принцип действия, 2) конструктивные особенности системы натека газа и 3) зондовые измерения характеристик искровой системы предыонизации.

В результате стендовых исследований искровой предыонизации (рис.4) были получены зависимости произведения концентрации на скорость электронной компоненты однократно ионизованного Аг в зависимости от различных параметров газовой оболочки (табл. 3 и 4). Это позволяет получить представление о характеристиках предыонизованной газовой

оболочки, получаемой в результате использования искровой предыонизации в реальных условиях сверхзвуковой газовой струи. Кроме того, были сделаны оценки влияния на степень предыонизации таких факторов, как геометрия расположения искры предыонизации и фактора старения сопла, что позволило выяснить условия, при которых система предыонизации работает эффективно.

Рнс.^Схгйай установки;:

В результате стендовых исследований системы предыонизации, основанной на использовании магнетронного разряда в скрещенных ЕхВ полях, было получено, что данная система позволяет обеспечить однородную, интенсивную предыонизацию всего объема газовой оболочки лайнера. Степень предыонизации газовой среды лайнера, создаваемой с помощью такой системы, достаточна, чтобы ток генератора протекал по достаточно

тонкому скин - слою.

3

Рис. 5 Схема системы ! [редьготйа цга с. л ; : исполмовашгем мап terpomioro разряда е.у. скрещенных^ В полях в коаксиально-цилширнческсй гсоме-1р1ш.:.1;2 огновной и

ЛОПОЯ!Г.ИМ1,Н1ЛЙ ЭЛеКТрОД CncTïVbt. :;/;; Щу^- П прс'дыонвдшг.ш, 3,4 - СИС1СМЫ .; на^й/^аза. • «о.пнеаткхе» и

лаинсраг:5 j- пояс Poi wb«îc^,:<> jc^a, 7,8* .•:•. ЩщсМймйуфённяя йбЩ^гйир^^!^^:: двутададного.Аг лаймера, 9-мапшпгая

калика:-;''■: |1|Ш>

Из результатов проведенных исследовании следует, что для-осуществления эффективной работы предыонизации в условиях, когда

Таблица 3. Максимальная величина « пг\'& » для различных Тз , Р и геометрии расположения искры предыонизации в момент времени I! и Время ^ соответствует моменту свечения искры предыонизациии. Время 1г соответствует моменту прихода в область зонда газа с максимальной ионизацией.

Геометрия Момент времени Р, Тт «IV Чь»

расположения ииЪ атм. МКС. •10" ,

предыонизации см'2- сек

Позиция 1 и 1 100 9

1 200 8

1 600 3

2.5 200 1.1

Позиция 2 и 1 200 1.2

и 15

<1 2.5 200 0.6

1: 11

11 1 600 -

12 7

и 2.5 600 -

и 3

Позиция 3 Не разделимы 1.0+2.5 200 + 600 5 30

Т„ мкс Р, атм. Уср- 10\ см/сек

100 1.0 10

200 1.0 6.4

600 1.0 5.0

200 2.5 5.0

Таблица 4. Скорость движения газа ; \г-ред!!ен1тя по всей длине пу-ги при различиях Тз и Р.

используется генератор тока, в котором основному импульсу тока предшествует предымпульс напряжения по величине, недостаточный для развития самостоятельного разряда в газовой оболочке лайнера (например, ГИТ-4), ток в нагрузку необходимо переключать только непосредственно в момент непрерывного образования фотоэлектронов в межэлектродном промежутке. В случае, когда для предыонизации используется искровая предыонизация данный момент времени соответствует максимальной интенсивности ультрафиолетового излучения. В случае, когда для

предыонизации используется магнетронный разряд (с учетом того, что магнетронный разряд зажигается синхронно с началом формирования газовой оболочки), ограничение на время переключения тока генератора в лайнерную нагрузку снимается автоматически. Поскольку магнетронная предыонизация обеспечивает значительно более интенсивную и равномерную предыонизацию (по сравнению с искровой системой) можно заключить, что использование данной системы предпочтительнее.

В третьей главе приведены результаты исследования роли предыонизации в процессе разделения тока генератора между внутренней и внешней оболочкой двухкаскадного аргонового лайнера. В этой же главе приведены схема и основные параметры генератора тока ИМРИ-4, на котором и проводилась основная часть экспериментов.

Проведенные эксперименты по определению пути протекания тока генератора в двухкаскадном лайнере на начальном этапе формирования токового слоя (рис.6) показали следующее".

* * ¡.Схема • регистрации разделяй» ¡пжа генсратсра мсацлу

И : оболочкам«

>ийнерс1; - верхний: элеетрод. 2 нижний.;. электрод - сегка. 3,4 -<.ч>о.;к)чка

двухкаскадного Аг лайнера, АС^ ИОгуп:ои1-аРогоеского. • •• •••.•.•..•.': V-:/

1. При отсутствии или при недостаточной предьгонизации, пробой газового лайнера по внутренней или по внешней оболочке носит вероятностный характер и слабо зависит от соотношения масс этих оболочек. Причем, если сетка является анодом, разделение тока между внешней и внутренней оболочками лайнера наблюдалось во всех выстрелах. Если сетка является катодом, разделение тока между внешней и внутренней оболочками лайнера наблюдалось в 70 % выстрелов.

2. При использовании системы предыонизации искрового типа, в случае расположения искры на аноде, вероятность протекания тока генератора только по внешней оболочке равна 36 %, в то время как в 64 % случаях ток генератора делится между внешней и внутренней оболочкой. В случае расположения искры на катоде во всех выстрелах ток с самого начала имплозии протекал только по внешней оболочке и никакого разделения не наблюдалось.

3. Испытания магнетронного разряда в скрещенных ЕхВ полях в качестве предыонизации двухкаскадного лайнера прошли успешно и подтвердили высокую эффективность использования данной системы.

4. Используя предыонизацию магнетронного типа, удалось увеличить вероятность протекания тока генератора только по внешней оболочке двухкаскадного лайнера до 100 % как в случае А-К, так и в случае К-А. При этом использовался магнетронный разряд как в плоской, так и в коаксиально- цилиндрической геометрии с током разряда 1рг = 15 4-150 А.

5. Полученные экспериментальные данные (табл.5) хорошо согласуются с оценками, приведенными в начале третьей главы.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния предыонизации

на динамику сжатия одно- и двухкаскадного Аг лайнера на установках

ИМРИ-4 и ГИТ-4.

Поляр- Ток Вероятность Вероятность Задержка Коли-

ность магнетрон- протекания тока разделения тока Д1, не чество

верхнего ного генератора только генератора выстре-

электрода разряда 1рг, А через внешнюю оболочку, % между оболочками, % лов

Без предыонизации

Анод - 30 70 - 15

Катод - 0 100 - 6

Искровая предыонизация

Анод - 36 64 - И

Катод - 100 0 500 10

Предыонизацня в виде цилиндрического магнетронного разряда

Анод 15 100 0 500 5

40 100 0 500 5

Катод 15 100 0 500 5

Предыонизацня в виде планарного магнетронного разряда

Анод 15 100 0 500 5

Катод 15 100 0 500 5

40 100 0 200-500 5

Для того чтобы провести сравнительный анализ неустойчивосгей, развивающихся в процессе сжатия лайнера, использовался оптический фотоэлектронный регистратор с щелевой разверткой ФЭР-7. При этом на щель (100 мкм) проецировалось

изображение лайнера на расстояшш 5 мм от оси (щель хронографа располагалась параллельно оси лайнера (рис. 7)). Регистрация производилась с временной разверткой 125 нс/см.

Эксперименты были проведены с двумя различными типами предыонизации:

Первый тип предыонизации - искровая подсветка УФ излучением (рис.8), которая располагалась со стороны катода на расстоянии 10 мм от среза сопла. При этом ток генератора подавался в лайнер в момент максимального свечения искровой подсветки.

Второй тип предыонизации - магнетронный разряд в скрещенных ЕхВ полях использовался в двух различных модификациях: цилиндрический (рис. 5) и гаанарный магнетронный разряд (рис. 9). Конструктивно схема

Рве/щ;;^

уСЛНОВКЙ :.: ;С■■'.;:!ГС1Ю/Ш30вгнне>! искровой сиспемы предыйнйчаций.

4 и система яскровой подсветки, 5-внугрешшй .каскад лайнера с ^aiierpdij;.¿\мм,! ^ф^'йбяс РрГОЙСКОГй.

предыонизации, использующая цилиндрический и планарный магнетронный разряд отличалась от той, которая была описана в главе 2, укороченным дополнительным электродом и уменьшенным объемом магнитной катушки. Это усовершенствование позволило сделать данную систему более удобной в эксплуатации, не ухудшив при этом характеристик самой системы. Ток в цели магаетронного разряда менялся в пределах 1рг = 15-г- 150 А. Плотность тока j менялась в пределах j^o, = 1.25 * 12.5 А/см2 для цилиндрического и jiu = 0.88 * 8.8 А/см2 для планарного магнетронного разряда. При этом концентрация ионов, оцененная по формуле Бома, менялась в пределах 11!= 1.5-1015* 1016см"3. Время горения разряда tp = 800 мкс.

Рис, 9, Схема экспериментальной ; уо^ ДЪаэ й-;;; - Vi ctt ояёзр i/.^Mtr^^iii крс^Шизаиик, ■;; ■

использовании лданаркого Aiari«-трогаюго разряда в «крещенных ЕхВ п<Ш>с. • v:/f с ¿атол, *

iiiieianiiTi^.каскад, лайнера;! с:; лаа^1???1 <50 :jNiMi .-4система fe^Qgefti^iKa 5^я;фреи;ниГ{ ; каскад :'• ;;яайЫра ::;;Яс диаметром 28 мч б - пояс Рогогсхаго, 7 -

Работы, проведенные на установках ИМРИ - 4 и ГИТ - 4 показали, что существует прямая зависимость между начальной стадией формирования газового разряда и характеристиками финальной стадии сжатия как одно-, так и двухкаскадного газового лайнера. Поскольку выбор системы предыонизации и ее параметров влечет за собой существенные изменения в сценарии развития электрического пробоя газовой оболочки лайнера, необходимо уделять этому вопросу особое внимание. Несмотря на всю

сложность и многоплановость физических процессов, происходящих в газовой среде лайнера, можно выделить ряд закономерностей, которые помогут подобрать оптимальное решение для конкретных задач.

1. Искровая система предыонизации.

1.1 Использование искровой предыонизации на установках типа ИМРИ - 4 с относительно небольшим перенапряжением на межэлектродном промежутке (Еимри=25 кв/см) приводит к образованию небольшого количества токовых каналов. В случае, если искровая предыошзация находится со стороны катода, число токовых каналов соответствует количеству искровых промежутков системы предыонизации, а сами каналы изначально пространственно привязаны к ним. В случае, если искровая предыонизация находится со стороны анода, число и место расположения токовых каналов имеет вероятностный характер.

1.2 Образование изначально небольшого количества токовых каналов приводит к их убеганию к центру лайнера. В этом случае вместе с токовым каналом уносится (вероятно, небольшая) часть массы, что вносит сильные потоковые возмущения как во внешнюю, так и во внутреннюю оболочку лайнера.

1.3 Использование искровой системы предыонизации на установках типа ГИТ - 4 с большой величиной перенапряжения (Етт=300 кв/см) приводит к образованию большого числа токовых каналов и квазиодкородному сжатию лайнера. Однако необходимо заметить, что при этом закладываются достаточно сильные азимутальные воз?.(уще1шя образуемого токового слоя. Кроме того, в этом случае закладываются и аксиалысые возмущен™, вызванные тем, что при (примерном характере пробоя энергия, идущая на ионизацию и разогрев газа вкладывается не равномерно, а в отдельных (самых узких) точках токового канала. Таким образом вдоль токового канала создаются перегретые области, которые в дальнейшем могут привести к образованию неустойчивостей. Необходимо заметить, что этот эффект будет проявляться сильнее ддя лайнера с малой массой и, соответственно, слабее для лайнеров с большой массой. Этим, в частности, вероятно, может быть объяснена зависимость амплитуды РТ неустойчивостей от массы лайнера.

■ 2. Система предыонизации, основанная на использовании магнетронного разряда в скрещенных ЕхВ полях.

2.1 В случае использования магнетронной системы предыонизации в объеме внешней оболочки лайнера зажигается объемный тлеющий разряд, затрудняющий прорастание отдельных токовых каналов. Поскольку в условиях скрещенных ЕхВ полей время контрагирования соизмеримо с временем сжатия лайнера, в объем внешней оболочки вмораживается достаточно большое по величине продольное магнитное поле, возникающее вследствие появления Холловского тока. В случае однокаскадкых лайнеров это приводит к уменьшению коэффициента сжатия лайнера и уменьшению выхода рентгеновского излучения в области К-линий Аг (исчезают горячие

точки). Особенно сильно этот эффект проявляется для быстрых машин типа ГИТ -4. Оптическая съемка при этом показывает существенную стабилизацию РТ неустойчивостей при сжатии газовых оболочек малых и средних масс с большим начальным радиусом.

2.2 Применение планарного магнетронного разряда в случае сжатия двухкаскадных газовых лайнеров позволило нам повысить на 25 % мощность рентгеновского излучения в области К-линий Аг и уменьшить разброс параметров сжатия.

Поскольку внешняя, более легкая оболочка, представляет из себя симметричную, малоподверженную неустойчив остям структуру с однородно скинируемым токовым слоем, был реализован режим сжатия внутренней оболочки, близкий к режиму однородного сжатия газа магнитным поршнем. При этом внутри сжатого лайнера виден ровный, хорошо прогретый керн, а вокруг него менее яркое гало с резкоочерченньши границами равновесия между силами внешнего (магнитное поле ВФ) и внутреннего (термическое и вмороженное продольное магнитное поле Вх) давлениями. Необходимо заметить, что при таких режимах сжатия экспериментальные данные (по времени сжатия) хорошо согласуются с нольмерным расчетом, что также указывает на близость реальных процессов, происходящих в плазме, и их теоретической модели.

В приложении приведены экспериментальные измерения распределения вертикальной и горизонтальной составляющей индукции магнитного поля В по радиусу в плоскости среза сопла.

В заключении приведены основные результаты и краткие выводы диссертации:

1. Создан и введен в эксплуатацию генератор тока микросекундного уровня ИМРИ-4 с амплитудой тока 1т = 0.5 МА при напряжении зарядки и3 = 30 кВ. Данная установка является уникальным диагностическим комплексом, позволяющим проводить исследования в области физики плазмы на высоком техническом уровне.

2. Экспериментально исследованы характеристики искровой системы предыонизации, условия ее применимости на установках типа ИМРИ-4 и ГИТ-4 и степень ее влияния на динамику формирования токового слоя лайнера. Даны оценки процессов происходящих в газовой среде лайнера на этапе пробоя и на этапе дальнейшего сжатия в случае применения искровой системы предыонизации.

3. Создана и экспериментально опробована новая система предыонизации основанная на использовании магнетронного разряда в скрещенных ЕхВ полях. Конструктивно магнетронная предыонизация была выполнена в двух различных модификациях, а именно по типу "обращенного магнетрона" и "планарного" магнетронного разряда.

4. Сделаны оценки и экспериментально показаны преимущества магнетронной системы предыонизации над искровой системы предыонизации.

1в 2'.

5. Теоретически оценена и экспериментально решена проблема разделения тока генератора между внешней и внутренней оболочкой двухкаскадного аргонового лайнера

6. Экспериментально показана возможность однородного сжатия однокаскадного аргонового лайнера с начальным диаметром 60 мм, при котором в объеме плазменной оболочки не развиваются Релей-Тейлоровские неустойчивости.

■7. С помощью созданной магнетронной системы предыонизации удалось повысить мощность излучеши в области K-линий аргона (до 58.7 ГВт) и стабильность выходных параметров лайнера на установках ИМРИ-4 и ГИТ-4.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Бакшт Р.Б., Бугаев С.П., Волков A.M., Дацко И.М., Ким A.A., Ковальчук Б.М., Кокшенев В.А., Лучинский A.B., Месяц Г.А., Русских А.Г., Федюнин A.B. Получение мягкого рентгеновского излучения на генераторе ГИТ-4 // Письма в ЖТФ. - 1990. - том 16, вып.9.

2. Baksht R.B., Bugaev S.P., Datsko I.M., Kim A.A., Kovalchuk B.M., Kokshenev V.A., Mesyats G.A., Russkich A.G. Experiments with a wire array Z pinch on the inductive storage generator // Laser and Particle Beams. - 1993. - vol.11,no.3. -pp. 587-593.

3. Baksht R.B., Datsko I.M., Kim A.A., Kovalchuk B.M., Kokshenev V.A., Loginov S.V., Oreshkin V.l., Russkich A.G., Fedunin A.V., Shishlov A.V. Gas-Puff Implosion Experiments on the Inductive Storage Generator GIT-4 // Laser &Particle Beams. - 1994. - No. 12. - 748 -752.

4. Бакшт Р.Б., Русских А.Г., Федюнин A.B. Исследование предыонизащш газовой оболочки Ar лайнера// ЖТФ.-1995. - Том 65, в.12. - с. 39-47.

5. Бакпгг Р.Б., Дацко И.М., Ким A.A., Лабецкий А.Ю., Логинов C.B., Орешкин В.И., Русских А.Г., Федюнин A.B., Шишлов A.B. Рэлей-Тейлоровская неустойчивость и выход K-излучения при сжатии газовых лайнеров П Физика плазмы. - 1995. - том 21, № 11. - с.959-965.

6. Бакшт Р.Б., Дацко И.М., Орешкин В.И., Русских А.Г., Федюнин A.B., Шишлов A.B., Кошевой М.О., Рупасов A.A., Федан Д.А., Шиканов A.C. // Сравнительный анализ излучательных характеристик одно- и двухкаскадных лайнеров // Физика плазмы. - 1996. - том 22, №7. - с. 622628.

7. Р.Б.Бакшт, А.Г.Русских, Чагин A.A. Исследование роли предыонизации в процессе деления тока между оболочками двухкаскадного лайнера // Физика плазмы. - 1997. - том 23, №3. - с. 195-202.

В. Baksht R.B., Datsko I.M., Kim A.A., Kovalchuk B.M., Kokshenev V.A., Loginov S.V., Russkich A.G., Fedunin A.V., Shishlov A.V. Gas-PulT Implosion Experiments on the Inductive Storage Generator Git-4 // IEEE Conference Record: Abstracts (IEEE Int. Conf. on Plasma Science. - Santa Fe, New Mexico, USA, 6-8 June 1994). - 1995, p. 149.

9. Russkih A.G. Study of Preionisation for GIT-4 Inductive Storage Gas-Puff Implosion II The 1994 Annual Meeting of the Division of Plasma Physics: Bull, of APS. - Minneapolis, Minnesota, 7-11 November 1994. - Vol.39, No.7. - p.1558.

10. Baksht R.B., Datsko I.M., Kim A.A., Kovalchuk B.M., Kokshenev V.A., Loginov S.V., Oreshkin V.l., Russkich A.G., Fedunin A.V., Shishlov A.V. Gas-puff implosion experiment on the inductive storage generator GIT-4 U 10th Int. Conf. on High Power Partical Beams.: Proceedings. - San Diego, California, USA, 20-24 June 1994. - pp. 74S - 751.

11. Бакшг Р.Б., Дадко И.М., Ковальчук Б.М., Лабецкий А.Ю., Русских А.Г., Федюнин A.B., Шишлов A.B. Влияние Рэлей-Тейлоровской неустойчивости на выход излучения при имплозии газовых лайнеров II ХХП Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС.: бюл. -

1995.

12. Rousskikh A.G. Use of microwave gas discharge for gas puff shell preparation // The 1995 Annual Meeting of the Division of Plasma Physics: Bull, of APS. -Louisville, Kentucky, 6-10 November 1995. - Vol.40, No. 11. - p. 1846.

13. Chuvatin A., Choi P., Etlisher В., Semushin S., Dumitrescu C., Vie M., Bayol F., Morell A., Shishlov A., Fedunin A., Baksht R., Datsko L, Russkih A., Kovalchuk В., Kim A., Kokshenev V., Loginov S., Bastrikov A. Composite Z-pinch on GIT-4 // 10th IEEE Int. Pulsed Power Confer.: Proc. - Albuquerque, New Mexico, USA, 10-13 July 1995. - p. 284 - 281.

14. Baksht R.B., Datsko 1.М., Labetsky A.Yu., Russkich A.G., Fedunin A.V., Shishlov A.V. Rayleigh-taylor instability and K-shell radiation yield of imploding liners // The 1996 Annual Meeting of the Division of Plasma Physics: Bull, of APS. - Denver, Colorado, 11-15 November 1996. - Vol.41, No.7. - p. 1471.

15. Baksht R.B., Datsko I.M., Kim A.A., Labetsky A.Yu., Loginov S.V., Oreshkin V.l., Russkich A.G., Fedunin A.V., Shishlov A.V. Rayleigh-taylor instability and K-radiation yield in the implosion of the gas-puffs II the 4th Int. Conf. "Zababakhin Scientific Talks": Proceedings. - Chelybinsk-70, Russia, October

1996.

16. Baksht R.B., Datsko I.M., Labetsky A.Yu., Loginov S.V., Oreshkin V.l., Russkich A.G., Fedunin A.V., Shishlov A.V. Rayleigh-Taylor instability and K-shell radiation yield for imploding liner // Int. Conf. on High Power Particle Beams: Proceedings. - Prague, Czech Republic, 10-14 June 1996. - Vol. 1.- p. 522 - 525.

17. Baksht R.B., Fedunin A.V., Labetsky A.Yu., Kovalchuk В., Kim A., Kokshenev V., Russkich A.G., Shishlov A.V. Investigation of K-shell radiation sources on an inductive storage generator II 11 IEEE International Pulse Power Conference: Proceedings. - Baltimor, USA, July 1997.

18. Russkich A.G., Baksht R.B., Labetsky A.Yu., Shishlov A.V. Influence of preionization on dynamics of a gas puff implosion II 4th International

Conference on Dense Z- pinches: Proceedings. - Vancouver, Canada, Mas' 1997.

19. Baksht R.B., Fedunin A.V., Labetsky A.Yu., Oreshkin V.I., Russkich A.G., Shishlov A.V. Stability and K-shell radiation of Z-pinches // 4th International Conference on Dense Z- pinches: Proceedings. - Vancouver, Canada, May 1997.

2i