Введение к работе
А СГ "79 Q
Актуальность темы. Исследования процессов в импульсной горячей плазме, начавшиеся при разработке термоядерного оружия, и в настоящее время остаются крайне актуальными в связи с продолжающимися с 70s годов прошлого столетия работами по освоению мирного использования управляемого термоядерного синтеза с инерциальным удержанием плазмы. Кроме того, импульспые плазменные установки типа «плазменный фокус» (ПФ) или «низкоиндуктивная вакуумная искра» (НВИ) имеют интересные технологические возможности и уже находят применение, например, как точечные источники для рентге-нолитографии, других корпускулярных и электромагнитных излучений. Понимание сути физических процессов, происходящих в такого рода плазменных объектах, также представляет большой интерес, так как они протекают при исключительно больших плотностях мощности и малых временах. Эти процессы до сих пор остаются недостаточно понятными из за большой сложности их исследования. Поэтому развитие взаимодополняющих средств диагностики импульсной плотной высокотемпературной плазмы является весьма актуальной и востребованной задачей.
Дополнительным свидетельством этому является тот факт, что значительная часть приводимых в диссертационной работе исследований и разработок поддерживалась грантами РФФИ, осуществлялась по договорам с предприятиями Минатома РФ и по заключенному на конкурсной основе с Минпромнауки РФ Госконтракту по диагностике процессов в термоядерных установках в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениями науки и техники на 2002-2006 годы».
Особенностью представленной работы является также то, что развитие средств диагностики импульсной горячей плазмы проводилось на разработанных под руководством автора оригинальных импульсных плазменных установках ПФМ -72 и «Зона 2». При этом было создано несколько импульсных плазменных источников различного типа (пушка Маршалла, плазменный фокус Мейзера, НВИ), что позволяло реализовать комплексность подхода к выбору различных диагностик и протестировать их на разного типа установках. Следует также отметить, что установка ПФМ-72 была внесена в 1997 году в реестр уникальных научных установок Российской Федерации (№ 06-34).
Целью работы является создание комплекса источников импульсной плотной горячей плазмы и взаимодополняющих методик ее исследования, позволяющих, выявил» основные физические особенности процессов, происходярЛРтдстшю^^^фм поручения такой
плазмы, а также охарактеризовать параметры эмитируемых ею потоков частиц и излучений.
Для достижения сформулированной цели в работе были решены следующие основные задачи:
1. Разработана и создана установка для получения импульсной горячей плазмы и отработки средств диагностики «Зона 2» и установка ПФМ-72 с максимальным энергозапасом конденсаторной батареи 120 кДж, на которых испытаны: плазменный фокус Мейзера (в том числе с применением лазерного образования рабочего вещества и инициирования разряда) и микропинчевой разряд типа НВИ (амплитуда тока разряда до 250 кА, период 5 - 8 мкс), а также импульсные источники плазмы атмосферного давления на основе эрозионного капиллярного разряда.
2 Разработаны различные лазерные средства диагностики плазмы, включая:
импульсные TEA азотные лазеры в сочетании с интерферометрами различного типа (Маха -Цендера, Бейтса) для визуализации процессов в плазме с наносекундной экспозицией;
лазерные интерферометры на основе гелий-неонового лазера, в том числе, 2х-модовые с внутрирезонаторным размещением плазмы и Зх-зеркальные с внутрила-зерным приемом сигнала.
3 Предложены и реализованы различные приборы для корпускулярной диагностики
плазмы, включая оригинальный многоканальный масс-спектрометр, который в сочетании
с времяпролетной базой позволяет зарегистрировать одновременно массовый и энергети
ческий состав эмитируемых импульсной плазмой ионов.
4. Разработана и использована в экспериментальных условиях аппаратура для регистрации генерируемого разрядом рентгеновского излучения, включающая различного типа детекторы на основе поглощающих фильтров, которые позволяют получить как пространственную, так и временную информацию о спектре.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Создана уникальная научная лабораторная база, внесенная в реестр уникальных установок и стендов Российской Федерации, на основе установки типа плазменный фокус с лазерным инициированием разряда и установки типа низкоиндуктивная вакуумная искра с системой поджига, позволяющей увеличить время эксплуатации электродной системы. Установки оснащены комплексом оригинальных взаимодополняющих методик исследования параметров плазмы и эмитируемых ею потоков частиц и излучений.
д., «
-
Предложен и реализован многоканальный энерго-масс анализатор ионной компоненты импульсной плотной плазмы, защищенный авторским свидетельством.
-
Проведенные под руководством автора комплексные исследования поперечного разряда атмосферного давления позволили разработать и создать оптимизированный для диагностических целей осветитель на основе TEA Кг-лазера, в том числе многоканальный его вариант оригинальной конструкции.
-
Впервые предложено и реализовано в нескольких модификациях диагностических интерферометров применение эффекта «мягкой» конкуренции аксиальных мод резонатора лазера, работающего на переходе близком к однородноуширенному, что позволило создать лазерные интерферометры с регулируемой чувствительностью измерений и линейной аппаратной функцией.
-
Впервые предложен и реализован (совместно с Г.И.Козиным, А.П.Кузнецовым) диагностический трехзеркальный интерферометр с внутрилазерным приемом отраженного излучения, третьим зеркалом которого может служить любой обращенный к плазме конструкционный элемент плазменной установки.
-
Впервые с помощью разработанных средств диагностики проведено исследование особенностей динамики развития (начиная от момента его инициирования) микропинчевого разряда с радиальной инжекцией эрозионной плазмы от вспомогательных источников, вынесенных из области его прямого воздействия, при различной геометрии электродной системы и разных значениях вкладываемой в разряд энергии.
7 Экспериментально с помощью высокоскоростной фотоэлектронной регистрации обнаружено вытекание плазмы из микропинчевой области и установлено наличие двух последовательных сжатий при образовании микропинча, предсказанных ранее теоретически.
-
Обнаружена корреляция между трансформацией поверхности электродов с процессами в объеме разрядного промежутка микропинчевого разряда.
-
Впервые осуществлена визуализация плазменного канала в межэлектродном промежутке НВИ на протяжении всего времени существования разряда, что позволило выявить зависимость характера его протекания от начальных условий.
Практическая значимость работы:
1. Разработанный комплекс импульсных установок для получения горячей плазмы нашел применение при испытаниях и калибровке разнообразных средств диагностики, исследовании физических процессов в Z-пинче, а также использован в учебном процессе при проведении фронтальных лабораторных работ для студентов различных факультетов МИФИ.
-
Разработанный трехзеркальный интерферометр может быть использован в различных задачах диагностики термоядерной плазмы не только импульсных, но и стационарных установок с магнитным удержанием плазмы типа токамак, в которых в качестве отражающего зеркала может быть использована внутренняя часть установки (например, для контроля за изменением плотности плазмы в диверторе термоядерного реактора ИТЭР).
-
Разработанный лазерный осветитель на основе поперечного разряда в атмосфере азота использован для визуализации самого разнообразных импульсных физических процессов - от факельного эрозионного разряда до ударных волн в газе.
4 Энергомассанализатор заряженных частиц с времяпролетной базой использован для исследования импульсной плазмы образованной лазером.
5. Представленные во Всероссийском Выставочном центре в мае 2004 года на выставке «Перспективные технологии XXI века» диагностические разработки (лазерный интерфе-рометрический комплекс, TEA азотный лазер, многоканальный магнитный энергомассанализатор) были отмечены дипломом Министерства образования и науки Российской Федерации.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Комплекс установок (ПФМ-72 и «Зона -2») и различного типа источники импульсной
высокотемпературной плазмы:
а) источник типа плазменный фокус Мейзера (ПФМ) с основными параметрами: период
разряда 5-8 мкс, запасаемая энергия до 120 кДж, ток до 450 кА,
б) модификация ПФМ с лазерным инициированием разряда на длине волны 10,6 мкм с
энергией в импульсе до 50 Дж,
в) модификация ПФМ с образованием рабочего вещества лазерным кольцевым пучком на
длине волны 1,06 мкм с энергией в импульсе до 20 Дж,
г) источник импульсных плазменных потоков типа пушки Маршалла,
д) микропинчевой разряд типа низкоиндуктивной вакуумной искры (НВИ) с его попереч
ным инициированием от вспомогательных источников эрозионной плазмы, вынесенных
из области прямого воздействия основного разряда.
2. Диагностический комплекс на основе гелий-неонового лазера, включающий двухмо-
довый лазерный интерферометр на основе «мягкой» конкуренции двух продольных мод с
длиной волны X = 3,39мкм, трехзеркальный двухволновой интерферометр с квадратурной
регистрацией с X] = 3,39 мкм и Хг - 0,63 мкм, где в качестве третьего зеркала могут быть
использованы элементы плазменной установки с низким коэффициентом отражения излу
чения.
-
Система стабилизации длины резонатора диагностических лазеров непрерывного действия для работы на плазменных установках в условиях наличия внешних вибраций и помех.
-
Результаты комплексного исследования структуры, электрических характеристик, времени формирования поперечного наносекундного разряда в канале TEA ^-лазера, а также данные о зависимости энергии его излучения от значения напряжения между электродами и их геометрических параметров.
-
Диагностический комплекс с использованием TEA N2 -лазера как осветителя, в том числе многоканального, для интерферометров Маха-Цендера и Бейтса с поперечным и продольным сдвигом и для теневой фотографии.
-
Многоканальный магнитный энерго-масс анализатор с повышенной светосилой, обладающий 7й каналами регистрации и рассчитанной на 3 диапазона измерения энергии 1 - ЮкэВ, 10 - ЮОкэВ, ЮОкэВ - ШэВ (в пересчете на протоны).
-
Комплекс диагностики для определения спектра рентгеновского излучения на основе фильтров поглощения (с восстановлением по методу эффективных энергий), включающий 7-ми канальный спектрометр на основе ФЭУ со сцинтилляторами для проведения измерений во времени и спектрограф с регистрацией интегрального во времени изображения плазменного объекта на сборке из расположенных друг за другом фотопленок, каждая из которых одновременно является детектором и фильтром поглощения.
-
Системы автоматизации и дистанционного управления разработанными лазерными и оптическими диагностическими средствами, включая управление чувствительностью двухмодового лазерного интерферометра с помощью электрооптического кристалла.
-
Результаты комплексного исследования и оптимизации параметров разработанных импульсных источников плазмы для получения необходимых излучательных и эмиссионных характеристик, включая оптимизацию систем инициирования микропинчевого разряда, параметров разрядной цепи и оптимального выбора материалов и конфигурации электродов.
-
Результаты исследования динамики развития при различных начальных условиях микропинчевого разряда типа НВИ с радиальной инжекцией эрозионной плазмы от вспомогательных источников, вынесенных из области его прямого воздействия.
-
Экспериментально обнаруженное с помощью высокоскоростной фотоэлектронной регистрации вытекание плазмы из области образования плазменной точки и двух последовательных сжатий при образовании микропинча.
12. Обнаруженную корреляцию между трансформацией поверхности электродов по мере увеличения числа импульсов с процессами в объеме разрядного промежутка микропинче-вого разряда.
Авторский вклад. Все выносимые на защиту результаты и положения диссертационной работы получены и разработаны лично автором или под его руководством при его непосредственном участии.
Апробация работы. Результаты проведенных по теме диссертации исследований докладывались и обсуждались на отечественных и международных конференциях, симпозиумах и школах, на научных конференциях и сессиях МИФИ:
Яий Всесоюзных Совещаниях по плазменным ускорителям (1973 г.- Минск; 1986 г.Днепропетровск); XI, XX, XXII и XXIII международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (ICPIG) (1973 г.- Прага, Чехословакия; 1991 г.- Пиза, Италия; 1995 г.-Хобокен. США; 1997 г.- Тулуза, Франция); I, II и III Всесоюзных школах -конференциях по физике плазмы (1977, 1979 и 1982 г.г.- Харьков); Всесоюзной школе молодых ученых по физике (1978 г.- Киев); II Всесоюзной конференции "Современные проблемы двигателей и энергетич. установок летательных аппаратов" (1981 г - Москва); // Всесоюзной конференции по инженерным проблемам ТЯР (1981 г- Ленинград); Всесоюзной конференции "Применение лазеров в науке и технике" (1981г.- Ленинград), II и TV Всесоюзных школах-семинарах «Физика импульсных разрядов в конденсированных средах» (1985 и 1989 г.г.- Николаев); TV, V Всесоюзных и IX, X Всероссийских совещаниях по диагностике высокотемпературной плазме (1986 г -Алушта; 1990 г.- Минск; 1997 г.- С.-Петербург; 2003 г.- Троицк); /и //Всесоюзных семинарах «Физика быстропротекающих плазменных процессов» (1986 и 1989 г.г.-Гродно); 7е8 Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы, (1987 г.- Ташкент); 7** Всесоюзной научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (1988 г.- Москва); Зональном научно-техническом семинаре «Применение лазеров в промышленности и научных исследованиях» (1988 г.Челябинск); TV, V Всесоюзных и VIII, IX Всероссийских конференциях по физике газового разряда (1988 г.- Махачкала; 1990 г.-Омск ; 1996, 1998 г.г.- Рязань); Всесоюзном семинаре «Физические методы исследования прозрачных неоднородностей» (1989 г.- Москва); /, // Всесоюзных, III, TV Межгосударственных и V, VI Международных симпозиумах по радиационной плазмодинамике (1989 г.- п.Джан-Туган; 1991 г.- п. Кацивели; 1994, 1997, 2000, 2003 г.г.- Подмосковье); / Всесоюзной конференции "Оптические методы исследования потоков" (1991 г.- Новосибирск); //
Всесоюзном совещании-семинаре "Инженерно-физические проблемы новой техники" (1992 г.- Москва); XXIII конференции Европейского физического общества по управляемому синтезу и физике плазмы (1996г.- Киев); // международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (1997 г.- Минск, Беларусь); XXIV, XXV, XXVIII, XXIX и XXX Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (1997, 1998, 2001, 2002 и 2003 г.г.- Звенигород); Международных симпозиумах «Плазма - 97» и «Плазма - 99» (1997 г.- Ополе, Польша; 1999 г.- Варшава, Польша); W Международном симпозиуме по инженерным проблемам термоядерного синтеза (ISFNT-4, 1997 г.- Токио, Япония); Международном конгрессе по физике плазмы (1998 г.-Прага, Чехия); /, II, III и IV Российских семинарах "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды" (1998, 2000, 2002 и 2003 г.г.- Москва); XIV Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (ISI-14, 1999 г.- Звенигород); XXI Международном симпозиуме по физике ионизованных газов (SPIG-21, 2002 г.- Сокобаня, Югославия); 1Ш Всероссийском семинаре по Z-пинчам, РНЦ «Курчатовский институт» (2004 г.- Москва); 7я* Международной конференции по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы (2004 г.- Томск); V Международном симпозиуме по физике и диагностике лабораторной и астрофизической плазмы (PDP-V 2004, Минск, Беларусь); V Международной летней школе «Физика плазмы, диагностика», (июнь 2005 г. - Кудова, Польша) Ist - 8Р* научных сессиях МИФИ (1998 - 2005 г.г.); а также на научных семинарах в ФИАН, ИАЭ, ТРИНИТИ (г.Троицк), НИИЭФА (г.Ленинград), СибИЗМИР (г.Иркутск), МИФИ, Университете г.Тромсё (Норвегия), Институте ядерной физики и химии (г.Мяньян, КНР) и др.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в .122 печатных работах, включая 19 статей в реферируемых журналах, 5 авторских свидетельств, 25 тезисов международных и 51 всесоюзных и всероссийских конференций, симпозиумов и семинаров, Н) препринтов, 12 статей в сборниках научных трудов. Список основных публикаций представлен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографии. Работа изложена на 252 страницах машинописного текста, содержит 93 рисунка, 10 таблиц и список литературы из 254 наименований.
