Содержание к диссертации
Стр.'
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА I. ГЕНЕРАТОР ШСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЭП 14
I.I. Накопитель-генератор 15
1.2. Высоковольтный вывод 23
1.3. Выходной коммутатор 31
1.4. Вакуумный ввод и диодная камера 35
ГЛАВА П. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ВЫБОРУ РАЗМЕРОВ ДИОДА И РЕМА
РАБОТЫ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ГЕНЕРАТОРА 41
2.1. Измерение макроскопических параметров лучка и
условия эксперимента 41
2.2. Выбор размеров диода 45
2.3. Эксперименты с коррекцией напряжения 51
ГЛАВА Ш. ПОВЕДЕНИЕ ДИОДА ПЛОСКОЙ ГЕОМЕТРИИ СО СПДОШНЫМ
КАТОДОМ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУЧАЕМОГО ПУЧКА 56
3.1. Определение напряженности на катоде для
обеспечения достаточной эмиссии 57
3.2. Поведение ускорящего зазора в диоде 61
3.3. Определение пространственных характеристик
пучка 69
3.4. Установление соответствия энергии электронов
пучка и напряжения на диоде 74
3.5. Угловые характеристики пучка..... 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
ЛИТЕРАТУРА 83
Приложение 1 90
Введение к работе
Релятивистский электронный пучок рассматривается как одно из наиболее перспективных средств нагрева плазмы в открытых системах импульсного типа [і-з] .
Работы по физике взаимодействия РЭП с плазмой проводятся в течение более чем десяти лет во многих лабораториях (см., например, обзоры [4,б] ). В результате этих работ установлено, что . в широком диапазоне параметров главным механизмом передачи энергии от пучка к плазме является микротурбулентность, возбуждаемая вследствие пучковой неустойчивости. Интенсивность такого взаимодействия уменьшается с ростом плотности плазмы, но остается достаточно высокой вплоть до плотностей (3+5)»Ю15 см"*3, если плотность тока пучка составляет 3-5 кА/см2, а начальный угловой разброс не слишком велик ["б,7] . В указанных условиях пучок выделяет 5-7$ своей энергии на метр пути в плазме. При меньшей плотности плазмы интенсивность взаимодействия еще выше.
Энергия пучка вкладывается, главным образом, в высокоэнергетическую "часть** электронной функции распределения: в зависимости от условий эксперимента характерная "температура" быстрых электронов составляет от нескольких килоэлектронвольт [8] до нескольких десятков килоэлектронвольт [э] .
В экспериментах на установках ИНАР и Г0І-І в ИШ СО АН СССР показано, что если пучок распространяется в достаточно сильном магнитном поле (более 5+10 кГс), то развитие микротурбулентности не сопровождается расшшванием пучка по радиусу или появлением радиальных блужданий пучка, которые могли бы вызываться, например, макроскопическими неуотойчивостями (см.[*Ю, 11,12]). Поэтому, при фиксированном начальном состоянии плазмы, радиальный профиль энерговыделения полностью определяется радиальным распределением тока пучка на входе в плазму и хорошо контролируется.
Перечисленные особенности пучково-плазменного взаимодействия в открытых системах лежат в основе так называемой "двухступенчатой" схемы нагрева [п,13] , позволяющей, в принципе, осуществлять нагрев плазмы высокой плотности. Суть этой схемы заключается в следующем. Сгусток подлежащей нагреву плотной плазмы разбивается на две части (рис.1), разделенные промежутком с плазмой относительно низкой плотности. Длина этого промежутка подбирается так, чтобы пучок выделял на нем значительную долю своей энергии. В связи с отмеченным выше спадом интенсивности взаимодействия пучка с плазмой при росте ее плотности пучок будет свободно проходить участок I (рис.1), после чего будет тормозиться на участке 2, передавая свою энергию быстрым ("хвостовым") электронам плазмы. Последние же, свободно разлетаясь вдоль магнитного поля, будут передавать энергию концевым сгусткам за счет кулоновских столкновений. Поскольку энергия быстрых электронов плазмы существенно (в 104-100 раз) меньше энергии электронов пучка, то кулоновский пробег для быстрых электронов не слишком велик. Например, даже при их "температу- / Т7 ? ре" Т ~30 кэВ и плотности сгустков п = З'ЗХг' см"" имеем 17 1=
Рис.1.
Л' = 100 м, что меньше длины многопробочного реактора, рассчитанного на плотность плазмы 3*Ю17 см [l4] . Для нагрева ионов достаточно их кулоновских столкновении с электронами плазмы (для плазмы с термоядерным коэффициентом усиления Q, > I автоматически время удержания больше времени теплообмена между электронами и ионами), хотя в случае многопробочной системы существует и более эффективный механизм нагрева ионов, связанный с работой электронного давления против силы вязкого трения ионов о гофрированное магнитное поле l5] .
Возможность управления положением области энерговыделения путем создания профиля плотности типа изображенного на рис.1 была продемонстрирована на установке Г0Л-І в ИЯФ СО АН СССР [іб].
Таким образом, сегодня можно считать достаточно хорошо обоснованными физические предпосылки двухступенчатой схемы нагрева в открытых ловушках с плотной плазмой (в частности, в многопробочных ловушках).
Вместе с тем, то обстоятельство, что в проводившихся до сих пор экспериментах применялись пучки с полным энергозапасом, не превышавшим нескольких килоджоулей, не давало возможности получать в достаточно больших объемах плазму с высокими температурой и плотностью. Поэтому естественный следующий шаг в исследовании пучкового (в частности, двухступенчатого) нагрева плотной плазмы в соленоидах должен состоять в переходе к пучкам с энергозапасом в десятки и сотни килоджоулей, что позволит не только изучать физику нагрева, но и получать плотную плазму с п =КпЧ s-IO см""** и "околореакторноё" температурой (^1 кэВ).
Для реализации этой программы в Институте ядерной физики СО АН СССР сооружается многопробочная ловушка Г0І-3 [з] . Основные параметры этой установки следующие: напряженность магнитного поля в камере 55 кГс, в пробке НО кГс, длина соленоида 20 м, диаметр камеры 6 см, плотность сгустков 10і' см . Для нагрева плазмы в этой установке предполагается использовать электронный пучок с энергией I МэВ, током 100 кА, плотностью тока 2*3 кА/см2. Выбор этих параметров пучка определяется стремлением сделать их возможно более близкими к применявшимся в ранее выполненных экспериментах [7-9] с тем, чтобы с большой степенью определенности гарантировать себя от появления каких-либо неприятных неожиданностей в физике взаимодействия такого РЭП с плазмой. Что же касается увеличения энергозапаса в пучке, то его можно наращивать за счет большей длительности пучка. В частности, для получения пучка с энергозапасом около 100 кДж требуется длительность импульса масштаба микросекунды.
В соответствии с этими соображениями, в 1978 году в ИЯФ СО АН СССР было принято решение о сооружении генератора микросекундного электронного пучка с запасом энергии в пучке в десятки килоджоулей. Для того, чтобы система обладала некоторыми энергетическими резервами, запас энергии в высоковольтном накопителе был принят равным приблизительно 200 кДж.
Поскольку в Шй> была хорошо освоена техника генерации РЭП в плоских диодах (в диапазоне длительностей масштаба 100 нсек), было решено применить ту же схему и в проектируемой системе. При этом было ясно, что при больших длительностях импульса имеется опасность перекоротки диодного промежутка плазмой, возникающей на электродах [і7] , в связи с чем мы с самого начала ориентировались на работу с большими диодными промежутками. Однако чрезмерное увеличение промежутка могло приводить к потере однородности эмиссии или даже к срыву эмиссии вследствие снижения напряженности электрического поля на катоде3^. Имелось в ^Поскольку генератор предназначается для проведения сложных плазменных экспериментов, мы были вынуждены ограничивать себя простыми и "грубыми" техническими решениями. В частности, поэтому мы оказались от многоострийннх катодов или плазменно-сеточных катодов в пользу сплошных катодов простого профиля. виду, что выбор оптимальных (по величине зазора) условии должен дать натурный эксперимент после запуска генератора. По совокупности известных экспериментальных фактов нам представлялось, что оптимум будет лежать в диапазоне нескольких сантиметров (как это и оказалось впоследствии).
Для интересующей нас задачи пучок должен с самого начала генерироваться в продольном магнитном поле. При зазоре 4-6 см плотность тока электронного пучка при напряжении на диоде 0,7* +1 МэВ составляет 100 А/см2, что в 20-30 раз меньше необходимой для экспериментов. Поэтому получаемый пучок должен обладать достаточно хорошими угловыми характеристиками, допускающими его последующую магнитную компрессию для инжекции в соленоид. Это требование накладывает определенные ограничения на магнитное поле в диоде: оно должно превышать 3-5 кГс [7] .
Таким образом, на момент начала работы в 1978 щпу, была сформулирована следующая задача: создать генератор электронного пучка с током 30+40 кА., энергией электронов до I МэВ, длительностью импульса несколько микросекунд и полным энергозапасом в пучке несколько десятков килоджоулей. Пучок должен получаться в продольном магнитном поле напряженностью в несколько килогаусс, иметь хорошую однородность и малый угловой разброс.
Что касается высоковольтного накопителя энергии, то он должен был быть достаточно прост и удобен в обслуживании, не содержать дорогих и труднодоступных конструктивных элементов.
На момент начала работы был известен ряд публикаций по генерации РЭП микросекундного диапазона как в СССР, так и за рубежом [I8-23J . Основные результаты этих работ сведены в таблицу (см. п. 1-6 табл.І). В таблице представлены только эксперименты, в которых ускоряющее напряжение превышало 300 кВ, а полная
Таблица I.
НИИ ЭФА СССР 1979 0,5 5 мг.изл. 10 - 12 10 25 [24] ,
ИАЭ СССР 1980 0,5 10 мг.изл. 4 - 8 2 6-8 [25]
НИИ ЭФА СССР 1980 0,6 45 плоек. 35 0 2,5 50 [2б]
САБДИЯ США 1980 0,3 8 плоек. 14-18 8,5 0 1,5 3,6 [27]
ФИАН СССР 1981 0,37 3 мг.изл. 1,6-2,4 0,5-3,5 10 8 9 [28]
12. СССР 1981 4,3 46 плоек. 15 24 0 0,35 75 [29]
13. ИСЭ СО АН СССР 1984 1-2,5 мг.изл. З I 50 [зо] - 9 -энергия, выделяющаяся в диоде*' была больше I кДж. Для удобства сравнения величин энергозапасов в пучке здесь же приведены данные о типе диода, условиях экспериментов и ускоряющем напряжении генератора.
Первой публикацией по получению сильноточного РЭП микросекундной длительности была работа l8J , в которой приведены эксперименты как с плоским диодом, так и с диодом конусной геометрии (бесфольговый диод). Ускорительная система последнего представляла собой конусный анод, переходящий в дрейфовую трубу, и соосно ему катод с острой кромкой, расположенный на некотором расстоянии от перехода анодного конуса в трубу. На ускорительную область диода было наложено ведущее магнитное поле так, что силовые линии магнитного поля были параллельны внутренней поверхности анода и дрейфовой трубы. Величина магнитного поля подбиралась таким образом, чтобы исключить попадание электронов с катода на анод. Впоследствии такие диоды стали называться магнитно-изолированными. Большой круг исследований по увеличению длительности РЭП и выяснению механизма замыкания таких диодов был выполнен также авторами работ [31-35] из разных лабораторий.
Ко второй группе работ необходимо отнести работы, выполненные, в основном, о диодами плоской геометрии, в которых получено максимальное значение энергии РЭП за импульс. Это в первую очередь работы, упомянутые в п.2,3,6,7 (Табл.]), в которых достигнут энергозапас пучка ~ 50 кДж и которые были направлены на поиск оптимальных размеров ускоряющего промежутка, катода, его формы и поверхности. В экспериментах с удачным соотношением размеров наблюдалось медленно падающее значение импеданса в течение им- пульса приложенного напряжения. Полученный импеданс сравнивался ^Разумеется, более адекватной и существенной характеристикой является энергосодержание полученного электронного пучка, но сведения об этой величине, которая, естественно, всегда меньше энергии, подводимой от генератора к диоду, приведена только в части работ. с его расчетным значением, учитывающим частичное заполнение диода плазмой. Путем подбора подходящей скорости заполнения удавалось получить разумное согласие вычисленного и экспериментально измеренного импедансов. К сожалению, в экспериментах не проводился контроль однородности пучка во времени (имеются лишь интегральные отпечатки - "автографы" пучка) и поэтому полученные результаты носят скорее качественный характер. Рассчитать электронный ток можно лишь для моментов времени, близких к моменту появления эмиссии, когда расстояние анод-катод определенно еще не изменилось и в предположении однородной эмиссии электронного тока с катода. Необходимо заметить, что почти во всех работах проводилось измерение только интегральных параметров пучка. Эксперименты, указанные в п.п. 2,10 (Табл.1) проводились с низкой плотностью тока. Для обеспечения необходимой эмиссии в работе [l9J применялся многоострийный катод, а в работе [27] поверхностно-плазменный катод, на поверхности которого плазма приготовлялась заранее от внешнего источника. Такие диоды с плотностью тока ~1 А/см2 нашли применение в лазерах для поддержания несамостоятельного разряда (см., например, [35j ). В п.п. 7*13 (Табл.1) приведены результаты работ, полученные после 1978 г., т.е. после начала настоящей работы.
Принимая во внимание результаты по получению релятивистских пучков микросекундной длительности в диодах разной геометрии было принято решение начинать эксперименты с диодом плоской геометрии, а для обеспечения необходимой однородности эмиссии применять плоские гладкие катоды, либо со "слабой" острийностьга, которая никак бы не сказывалась на работе диода после появления катодной плазмы. Одновременно необходимо было провести эксперименты по выяснению однородности тока, "вытягиваемого" с плоской поверхности катода при напряженности электрического поля на по- - II - верхности (без учета микроострий)~200 кВ/см. В случае успешных экспериментов с плоским диодом или каким-либо другим типом диода необходимо было предусмотреть возможность увеличения энергозапаса в накопителе простым подключением дополнительных накопителей, аналогичных первому. Поэтому в соответствии с изложенными требованиями, положенными в основу разработки нашего генератора, мы выбрали в качестве пединичногон накопителя емкостный генератор импульсного напряжения (ГЙН). Возможность применения трансформаторной схемы генератора нами рассматривалась и была отклонена из-за большой индуктивности рассеяния, которая не позволяет применять диоды, длительность работы которых не превышает двух микросекунд.
Перечисленным выше требованиям к ІИНу наиболее полно отвечает LC -генератор, построенный по схеме Фитча, приведенной в работе [зб] . В нашем генераторе в качестве первичных накопительных элементов были использованы малоиндуктивные конденсаторы в металлических контейнерах, разработанные в И СО АН СССР для наносекундных ускорителей и имевшиеся в наличии на начало работ в достаточном количестве. Как правило, при сооружении подобных генераторов применяют конденсаторы типа ИК-ЮО-0,4 в полипропиленовых корпусах с высокой электрической прочностью последних. В этом случае нет необходимости в дополнительной изоляции между корпусами конденсаторов.
Для удобства обслуживания генератора импульсного напряжения нами было выбрано вертикальное расположение открытого типа, на воздухе. При такой компоновке необходим высоковольтный вывод, передающий напряжение от генератора к диоду. Кроме того, в LC-генераторе необходим выходной коммутатор. Этот коммутатор должен выдерживать полное напряжение и подключать диод к генератору в нужный момент времени. После коммутации напряжение должно передаваться к катоду через вакуумный ввод. Выбор и общая компоновка генератора, наиболее важные конструктивные элементы с результатами расчетов описаны в гл.1.
Монтаж генератора был завершен в 1980 году. Тогда же были начаты его высоковольтные испытания и проведены первые эксперименты с электронным пучком. На этом этапе выяснились "слабые места" ускорителя. Например, высоковольтный вывод с пленочно-элек-тролитной изоляцией показал низкую надежность, наблюдались пробои вдоль границы раздела пленочного изолятора и электролита при нап-ряженностях 30 кВ/см. Поэтому были начаты испытания вывода с газовой изоляцией. Одновременно продолжались эксперименты с диодом, изучалось его поведение во времени, выбирались оптимальное расстояние анод-катод и диаметр катода для лучшей передачи энергии от генератора к диоду и, в конечном счете, к пучку. Проверялись катоды из разных материалов и с поверхностью разного качества и кривизны. На этом этапе при работе со сниженными параметрами ускорителя удалось найти оптимальные размеры диода, при которых был получен электронный пучок с энергосодержанием 20 кДж и установлены каналы утечки тока в диоде.
После завершения испытаний высоковольтного вывода с газовой изоляцией и некоторых других усовершенствований (I98I-I982 г.г.) генератор стал работать надежно, выдавая в эквивалентную нагрузку до 100 кДж. При работе с диодом было подобрано более оптимальное время включения генератора на диод, найдены оптимальные размеры ускоряющей системы при более высоком напряжении на диоде. Был получен РЭП с большим энергосодержанием. Начиная с этого времени, основное внимание было уделено экспериментам с электронным пучком. Результаты этих экспериментов отражены в гл.2.
Были поставлены эксперименты по выявлению однородности пучка, установлено соответствие энергии электронов ускоряющему нал- - ІЗ - ряжению и получена оценка углового разброса пучка, что важно для последующей компрессии полученного пучка и в пучково-плаз-менных экспериментах. Одновременно велись эксперименты по выяснению процессов в диоде, определяющих его поведение в течение импульса. Соответствующие результаты изложены в гл. 3.
В результате проведенных экспериментов был получен электронный пучок с энергосодержанием свыше 60 кДж. Пучок вполне пригоден для осуществления магнитной компрессии и, в конечном счете, - по полученному энергозапасу - для экспериментов по нагреву плазмы, что является целью данной работы. Можно отметить, что РЭП с полученными параметрами может найти применение также для генерации СВЧ-излучения и больших доз рентгеновского излучения, для экспериментов по изучению термодинамических свойств материалов, для поддержания несамостоятельного разряда в активных средах лазеров, а также в плазмохимии.
В Заключении диссертации сформулированы результаты экспериментов и работы в целом на основе LC -генераторов и плоских диодов.
Материалы диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях по физике плазмы - Звенигород, 1983, 1984 г.г., Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов - Ленинград, 1984 г., на ІУ и У Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике - Томск, 1982, 1984 г.г. а также на Всесоюзной школе по физике и технике мощных импульсных энергосистем, г.Ура-Тюбе, 1984 г.
По теме диссертации опубликовано 5 статей и 2 препринта.
Похожие диссертации на Получение мощного электронного пучка микросекундной длительности для нагрева плазмы
