Введение к работе
В течение многих лет остается неизменным интерес к получению и использованию горячей плотной плазмы, генерируемой с использованием электрического взрыва проводников. Одним из ее приложений начиная с первых дней использования являлся управляемый термоядерный синтез, поскольку в экспериментах по ЭВН достигаются высокие значения параметра пт. Особый интерес вызывают исследования в области получения плотной плазмы металлов, отличительной особенностью которой является большое зарядовое число Z и, следоваїельно, высокая излучательная способность. Электрический взрыв проводников применяется для получения мягкого рентгеновского излучения высокой мощности, которое может быть использовано в научных и технологических целях, например для рентгеновской литографии в полупроводниковой технологии, спектроскопии и др. В связи с развитием тенденций к запрещению испытаний ядерного оружия, актуальной становился задача создания источников излучения, моделирующих отдельные факторы ядерного взрыва. Корона проволочки, взорванной током, перспективна как активная среда для лазеров в диапазоне мягкого рентгеновского излучения. В результате электрического взрыва образуются мелкодисперсные металлические порошки, которые могут быть использованы в технологических целях.
Специфической областью экспериментов по ЭВП является электрический взрыв в продольном магнитном поле. Такого рода эксперименты имеют достаточно давнюю историю. Основной целью исследователей было подавление с помощью внешнего поля развития МГД-неустоіічивостей, развивающихся в проводнике. Однако в последние годы в ряде работ расчетного характера была предсказана возможность дополнительного нагрева периферийных областей плазмы азимутальным током, наводимым в плазме яри ее расширении в условиях вакуумного взрыва. Необходимым условием для реализации этого эффекта в
лабораторных условиях является использование магнитного поля с индукцией порядка 50-100 Т.
К преимуществам данного способа получения горячей плотной плазмы относится отсутствие необходимости применения мощных наносекундных формирующих линий и проблем, связанных с использованием сверхвысоких напряжений.
В то же время, отсутствие экспериментальных данных в области вакуумного взрыва проводников в сильных магнитных полях не позволяет однозначно оценить перспективы данного способа получения плотной горячей металлической плазмы.
Исходя из вышеизложенного, можно сформулировать цель данной работы: исследование возможности использования сильного продольного магнитного поля для создания устройств, генерирующих горячую плотную плазму металлов, па основе электрического взрыва проводников.
Поставленная цель требует для своего достижения проведения большого объема чрезвычайно дорогостоящих экспериментов, сложность выполнения которых связана с получением сильных магнитных полей, с решением технологических вопросов, возникающих при проведении вакуумного ЭВП в объеме соленоида сильного магнитного поля, а также с диагностикой плазмы электрического взрыва. Поэтому значительная часть работы посвящена компьютерному анализу процессов, исследуемых экспериментально. Применение математического моделирования позволяет выявить основные факторы, влияющие на эффективность нагрева периферийной плазмы. Также, компьютерное моделирование позволяет получить дополнительную информацию о характеристиках процесса ЭВП в подолыюм магнитном поле из имеющегося экспериментального материала, объем которого ограничивается результатами, полученными автором.
В соответствии с поставленной целью, в работе ставятся и решаются следующие задачи.
-
Теоретическое обоснование возможности ускорения и нагрева плазмы в магнитном поле на примере модельных задач.
-
Разработка экспериментального оборудования для проведения экспериментов по ЭВП в продольном маг ннтном поле амплшудий 50 -70Т.
-
Проведение экспериментов по ЭВП в продольном магнитном поле с регистрацией электрических и оптических характеристик процесса.
-
Компьютерная обработка результатов экспериментов с целью получения дополнительных данных о характеристиках процесса взрыва проводника и расширения продуктов взрыва.
-
Проведение компьютерных расчетов расширения плазмы ЭВП для выбора модели проводимости плахмы, наиболее адекватно описывающей экспериментальные результаты.
Научная новтна работы состоит в следующем:
-
Впервые проведено экспериментальное исследование электрического взрыва проводника в вакууме в продольном магнитном поле с амплитудой 50 Т и выше.
-
Впервые экспериментально показано, что в условия вышеописанного эксперимента наблюдается переход наружных малоплотных слоев плазмы канала электрического взрыва в режим разогрева и ускорения за счет взаимодействия с магнитным полем. При этом граница плазмы движется со скоростью порядка 20 км/с.
-
Впервые применена техника диамагнитных измерений для диагностики плазмы электрического взрыва, что в сочетании с высокоскоростным фотоэлектронным хронографированием позволило измерить величину азимутального тока, генерируемого в расширяющемся плазменном облаке.
4. На основании полученных экспериментальных данных о параметрах плазмы была проведена серия численных расчетов, продемонстрировавших возможность ускорения плазмы магнитным полем при возникновении аномального электрического сопротивления в областях с высокой плотностью тока. Показано, что при этом температура наружных слоев плазмы может достигать величины порядка ста электрон-вольт, что делает плазму электрического взрыва проводника в вакууме в продольном магнитном поле перспективным источником излучения для научных и технологических целей.
Практическая ценность работы состоит в том, что
-
Проведены расчеты процесса расширения в магнитном поле плазмы в безразмерном виде, позволяющие выбрать условия электрического взрыва в продольном магнитном поле, при которых реализуется эффект разоірева плазмы азимутальным током.
-
Экспериментально подтверждена целесообразность использования коммутаторов на скользящем разряде в малоиндуктивных емкостных накопителях энергии с запасаемой энергией масштаба 1 Мдж.
-
Отработана технология проведения экспериментов по вакуумному электрическому взрыву в сильном магнитном поле, позволяющая получать хорошо воспроизводимые результаты.
-
Получены экспериментальные данные о проводимости плазмы меди в условиях протекания по ней тока большой плотности в сильном магнитном поле.
На защиту выносятся следующие положения
1. Вакуумный электрический взрыв проводника в сильном продольном
магнитном поле при определенных в работе условиях может
сопровождаться образованием высокотемпературной
быстрорасширяющейся плазменной оболочки с высокой плотностью а зимутатьного тока.
І. Дополнительнее ускорение границы плазмы при ЭВН в продольном магнитном поле является следствием уменьшения проводимости наружных слоев плазмы при протекании по ним азимутального тока большой плотности из-за возникновения аномального электросопротивления.
-
Анализ энергобаланса плазмы позволяет сделать вывод о резком росте энергии периферийных слоев плазмы при ее расширении в продольном магнитом поле.
-
Экспериментально подтверждена возможность применения продольного магнитного поля при электрическом взрыве проводника для получения горячей плазмы. Использование .магнитного поля может быть дополнением к известным способам нагрева плотной металлической плазмы в геометрии «Z-пинча»
Апробация работы и публикации
Основные положения диссертационной работы докладывались на шести научных конференциях, в том числе четырех международпых. Основные результаты работы изложены в девяти печатных работах.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (78 названий). Общий объем работы -136 с. рисунков 52.
