Введение к работе
Актуальность
Физика Z-пинчей изучает один из самых фундаментальных объектов физики нестационарной плазмы. Исследования Z-пинчей позволили установить многие свойства такой плазмы, движущейся под действием собственного магнитного поля. Долгие годы практический интерес к исследованиям в этой области поддерживался перспективами и результатами в области решения проблемы управляемого термоядерного синтеза. Этот интерес не угас до сих пор, о чем свидетельствует существование современных, обоснованных проектов осуществления поджи-га DT-реакции с коэффициентом термоядерного усиления энергии существенно большим единицы на существующих установках и рекордные достигнутые значения параметра пт^Т в микропинчах. Все же интерес к Z-пинчам с точки зрения их практического использования теперь явно сместился в сторону создания мощных источников рентгеновсхого излучения. Крупнейшие в мире установки Z-пинчевого типа используются именно для этого.
Максимальные параметры плазмы в Z-пинчах, интересные с точки зрения приложений, достигаются, хэк правило, в плотных горячих сужениях токового канала, которые называются перетяжками. Они возникают как некоторая неустойчивость и простейшие модели ее развития показывают неограниченное сжатие плазмы в перетяжках. Фактически перетяжки являются одним из примеров магнитного коллапса. Выявление физических причин остановки этого коллапса требует исследования свойств плазмы на и за границей области применимости магнитной гидродинамики как по параметру ее столкновительности так и с точки зрения возникновения сильных двужидкостных эффектов. С учетом важности этого вопроса и с прикладной точки зрения нам пред-
ставляется, что проблема физики плазмы с высокими параметрами в Z-пинчах остается достаточно актуальной.
На рубеже 70-7-80-х годов стало ясно, что для исследований в этом направлении необходимо разработать методы описания нестационарной плазмы в относительно новой области параметров. Действительно, существует обширная область параметров плазмы с недостаточно разработанными методами ее описания. Эта область характеризуется: 1) малыми частотами столкновений, что соответствует области неоклассических эффектов переноса в физике стационарных магнитных ловушек и 2) промежуточными размерами плазмы, когда с/^р, > а > с/-.ре или VTe/-'Pe, так что сильны двужидкостные эффекты в квазинейтральной плазме. Здесь а - характерный размер плазмы, *ре, - плазменные ионные и электронные частоты, a v-re - тепловая скорость электронов. Недостаток в развитии этой части теории плазмы сказывался и сказывается не только в физике Z-пинчей. Похожая ситуация имеет место и для родственных плазменных экспериментов и установок (разлет плазмы в магнитном поле, лабораторное моделирование магнитного перезамыкания, плазменные рзімьіхатели тока и т.п.).
Другая ветвь теории Z-пинчей, бурно развивавшаяся в последнее время,-связана с большим и мощным потоком экспериментальных работ с плотными Z-пинчами, образующимися при электрическом взрыве столбиков конденсированного вещества Их явная повышенная устойчивость и сложная радиальная структура сами по себе привлекли внимание исследователей. С другой стороны повышенная устойчивость и стабилизация развития перетяжек это одно и тоже явление, выраженное разными словами. Здесь возникает очевидная связь с проблемой конечной стадии развития перетяжек на классических Z-пинчах. Эта связь становится еще более интересной из-за того, что некоторые проекты развития Z-пинчевого направления термоядерных исследований предлагают использовать именно плотные Z-пинчи.
Таким образом, видно-, что физика Z-пинчей в ее теоретической аспекте, остается бурно развивающейся областью физики плазмы, имеющей как научное так и сугубо прикладное значение.
Цель
Целью работ, выполненных нами в области физики плазмы с высокими параметрами в Z-пинчах, явилось следующее.
-
Установить физические причины, определяющие остановку коллапса плазмы в перетяжках Z-пинчей.
-
Разработать методы теоретического описания плазмы в соответствующих условиях.
-
Построить теорию плотных Z-пинчей (их нетривиальной радиальной структуры, динамики и устойчивости).
Новизна
Подавляющая часть исследований, представленных в диссертации выполнена в последние 12 лет. Многие экспериментальные факты, являющиеся основой для представленных в диссертации теоретических работ, обнаружены и исследованы в это же время. Особенно это относится к физике плотных Z-пинчей, микропинчей и плазменных размыкателей. В то же время часть экспериментов, объяснению которых посвящены наши работы, выполнены достаточно давно и стали уже классическими. Последнее относится к результатам по "плазменному фокусу". Ниже приводится список важнейших приоритетных результатов, полученных мною в области физики Z-пинчей.
-
Обнаружена определяющая роль первоначально очень разреженной остаточной плазмы в формировании максимальных параметров плазмы плазменного фокуса.
-
Получены уравнения электронного газа гидродинамического типа, учитывающие дрейфовое движение электронов в Z-пинчевой геометрии. Они дают широкое обобщение электронной части известной системы уравнений Брагинского далеко за границу применимости последних.
-
Обнаружен новый тип аномального сопротивления. Он в довольно общих условиях для горячей замагниченной плазмы превалирует над всеми известными механизмами.
-
Теоретически обнаружены гетерогенные равновесные состояния плотных сильно излучающих Z-пинчей.
-
Исследованы их неустойчивости.
-
Исследован переход от классического типа динамики Z-пинчей к т.н. диссипативному типу (обнаруженному ранее другими авторами) при изменении параметров разряда.
-
Построена аналитическая модель расширения короны Z-пинча в диссипативном режиме.
-
Построена модель формирования разреженной короны Z-пинча в промежуточном режиме, что обнаружение первоначально экспериментально.
-
Обнаружена и исследована звтокодгяьность волки термоядерного горении на профилирование? плотности р сх г при адекватном учете практически всех важных физических процессов.
-
Обнаружена определяющая роль давления плазмы (и аномального сопротивления) на формирование волны отрыва плазмы от анода Z-пинчей. (Рентгеновский режим).
-
Предложен новый, взрывной механизм работы плазменных прерывателей тока при аномальном нагреве плазмы по механизму п.З.
Научная и практическая ценность
В работах автора диссертации решен ряд задач, имеющих отношение к работе ряда установок и плазменных устройств. Они имеют прямой выход в практику экспериментов. Речь идет о плазменных размыкателях тока и установках плазменного фокуса, работающих в т.н. рентгеновском режиме. То же можно сказать и о результатах в теории плотных Z-пинчей (гетерогенная структура, проблема повышенной стабильности, стабилизация сжатия за счет образующейся короны, критерии возникновения распространения термоядерного горения в окрестности перетяжек Z-пинчей и т.п.), которые планируется использовать как в термоядерных исследованиях, так и для генерации рентгеновского излучения.
Заметная часть результатов, представленных в дисертации, имеет значимость для теории плазмы. В работах автора поставлен и в значительной мере решен вопрос о физических причинах остановки коллапса перетяжек Z-пинчей, который в простейших моделях развивается неограниченно. Предельно достижимые параметры плазмы при этом в значительной мере определяют прикладной интерес Z-пинчевых установок и исследований.
Исследованы диссипативные свойства плазмы, вызванные как столкновительными так и коллективными процессами в новой области параметров плазмы, которые типичны для многих Z-пинчевых устано-
вок. Эти результаты, скорей всего, имеют заметно более широкую область значимости по сравнению с той, для которой они первоначально развивались. Сюда можно отнести некоторые астрофизические объекты, эксперименты по проникновению плазмы в магнитное поле, эксперименты по магнитному пересоединению и др.
Публикации и личный вклад автора
Из 31 работы, лежащих в основе диссертации, 18 были выполнены в соавторстве. Список публикаций приведен отдельно в конце автореферата. Именно к нему относятся ссылки этого раздела. Пять работ, выполненные в соавторстве с Булановым СВ., и одна - с Меерсоном Б.И., использовались в докладе лишь в той части, в которой (как оказалось позднее) они касаются длинноволновой теории развития перетяжек в Z-пинчах. В работе мне принадлежит идея разрешимости соответствующих нелинейных уравнений; в работе 2 — исследование полученных там решений; в работах 5, — метод нахождения спектра ускоренных частиц; а в работе — исследование возможных типов особенностей. Работа , подводяшая некоторый промежуточный итог и являющаяся по существу кратким обзором, была написана совместно с Булановым СВ. В соавторстве с Бобровой Н.А., Неудачиным В.В. и Разинковой Т.Л. выполнен ряд работ, целиком имеющих самое непосредственное отношение к теме диссертации. В этих работах «не принадлежит постановка задач, определение метода получения результатов и их анализ. Я был вторым научным руководителем кандидатской диссертации Неудачина В.В., в которую вошли наши совместные работы. Аналитические результаты в работах 21.--4 также принадлежат мне. Я принимал участие в разработке численных методов, использованных в работах i0'24. Работы зозг, являющиеся по существу обзорами, подготовлены мною на основе моих совместных работ с Бобровой
H.A., Неудачиным В.В. и Рззинковой Т.Л. В работе , выполненной совместно с Монастырским М.И., мне принадлежит идея использования новых результатов в топологической теории узлов к проблемам магнитной гидродинамики.
На защиту выносится
-
Исследование динамики периферийной плазмы в Z-пинчах.
-
Уравнения гидродинамического типа, описывающие динамику электронной компоненты плазмы в Z-пинчевой геометрии в случае
. малой частоты столкновения (неоклассика в Z-пинчах).
-
Механизм аномального сопротивления плазмы, связанный с совместным возбуждением геликонной (свистовой) турбулентности и флуктуации ионной плотности.
-
Теория плотных Z-пинчей (нестационарное расширение, гетерогенные равновесия, неустойчивости, формирование турбулентной короны).
-
Выявление причин, определяющих максимальную степень сжатия плазмы в перетяжках Z-пинчей.
-
Взрывной механизм работы плазменных размыкателей.
-
Исследование волны отрыва плазмы от анода.
-
Исследование автомодельной термоядерной волны горения на профиле плотности ос 1/г.
Апробация
Представленная дисертация подготовлена на основе результатов, опубликованных в 31 статьях в рецензируемых изданиях. Эти работы неоднократно докладывались на семинарах в ОРП ИАЭ; Лаб. физики плазмы ИОФАН; ФИАЭ (Троицк); ИТЭФ; на Объединенном семинаре по спектроскопии пинчевых разрядов (ИСАИ, Троицк); а также на семинарах: Теор. отд. ФИАН, ОФП ИАЭ. Они представлялись также нз следующих конференциях: Всесоюзные конференции по физике плазмы и УТС (1986, 1988. 1990, 1992, 1993, 1994 гг. — всего 5 устных и 6 стендовых докладов); Международная конференция "Meraraycc-V" (Новосибирск, 1989 г.); Международная конференция по физике плазмы (Киев, 1987 г.); Международная конференция по плотным Z-пинчаи (Лондон, 1993 г.); Международный симпозиум "Плазменные прерыватели тока в высоковольтных, сильноточных системах" (Новосибирск, 1990 г.); Всесоюзные семинары "Излучение плазмы и Z-пинчи" (Нарва, 1990 и 1991 гг. — всего 4 доклада); Всесоюзный семинар "Физика быстропротекающих процессов" (Гродно, 1989 г.); Конференция Московского физического общества (Сочи, 1991 г.) и других.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Часть важных деталей вынесена в четыре приложения. Полный объем диссертации 104 страницы, что примерно соответствует 165 страницам машинописного текста. Список литературы содержит 184 ссылки.
