Введение к работе
Актуальность темы
Имплозия полого Z-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 инерциалъного термоядерного синтеза, что подтверждается интенсивным развитием долговременных программ MTF и HDZP в США. Наряду с приведенныьш практическими целями горячая, плотная плазма представляет существенный научный интерес, поскольку несмотря на огромное число работ в этой области, плазма с параметрами, характерныкш для Z- пинчей остается все еще слабо изученной.
Наиболее простым типом Z-пинча является однокаскадньш проволочный либо газовый лайнер, сжимаемый током мегаамперного уровня. Эффективному преобразованию энергии генератора в тепловую энергию плазмы однокаскадного 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 двухкаскадиых газовых лайнеров. Использовашіе 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 однокаскадньш 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 авторакш и были посвящены различным аспектам изучения параметров плазмы, получаемой в результате сжатия Z-пинча. Несмотря на то, что использование двухкаскадного (чаще всего аргонового) лайнера позволило поднять мощность и энергию излучения как в области вакуршого 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 предыонизацш 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 форшірования 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
-
Исследованы характеристики искровой системы предыонизации в условиях сверхзвукового газового потока лайнерной системы.
-
Предложена система предыонизации газового лайнера на основе использования магнетронного разряда в скрещенных Е.\В полях и исследована возможность ее применения в реальных экспериментах.
-
Исследован процесс разделения тока генератора между внутренней и внешней оболочками двухкаскадного лайнера и найдены режимы, в которых данного разделения не происходит.
-
Исследована зависимость динамики образования токовой оболочки и последующего сжатия газового лайнера от предыонизащш.
Научная и практическая ценность работы
Результаты работы вносят вклад в понимание процессов формирования токовой оболочки лайнерных систем. Полученные экспериментальные результаты позволяют вьшолшпъ теоретические оценки процесса сжатия 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
-
Создан и введен в эксплуатацию генератор тока михросекундного уровня ИМРИ-4 с амплитудой тока Im = 0.5 MA при напряжении зарядки U, = 30 кВ. Данная установка является уникальным диагностическим комплексом, позволяющим проводить исследования в области физики плазмы на высоком техническом уровне.
-
При использовании искровой системы предыонизащш в газовой оболочке лайнера (No=1.51015-5- 1-10"см"3) возникают отдельные каналы, приводящие к развитию неустойчивостей при сжатии лайнера.
-
Основной трудностью формирования однородного токового слоя при использовании каскадированных лайнеров является разделение тока генератора между внешним и внутренним каскадами.
-
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.
-
При использовании магнетронной систеі,ш ггредыонизации 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 плазлсы в Лхизвилле (Луизвилл, Кентукки, 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.
