Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальная установка и диагностическая аппаратура 20
1.1. Экспериментальный комплекс «ангара-5-1» 20
1.2. Диагностический комплекс установки 22
1.3. Лазерная диагностика. Теневое фотографирование плазмы 23
1.4. Четырехкадровая рентгеновская камера 25
1.5. Камера-обскура 27
1.6. Вакуумные рентгеновские диоды (врд) 28
1.7. Полупроводниковые детекторы рентгеновского излучения (p-i-n диоды) 30
1.8. Временная развертка изображения плазмы в оптическом диапазоне спектра (сфэр-регистрация) 37
1.9. Датчики измерения тока и напряжения 38
1.9.1. Токовые петли 38
1.9.2. Индуктивный делитель напряжения 38
1.10. Магнитные зонды 41
1.10.1 конструкции магнитных датчиков 41
Магнитный зонд для измерения аксиальной компоненты магнитного поля 43
Магнитные зонды для измерения азимутальной компоненты магнитного поля 44
1.10.2. Факторы, ограничивающие применение магнитных зондов u:/ 46
1.10.3. Экранирующие свойства оболочек зондов 48
1.10.4. Испарение оболочки зонда 54
1.10.5. Взаимоиндуктивность катушек зондов 61
1.10.6. Обтекание плазмой оболочки зонда 62
1.10.7. Сигнальные тракты зондов 73
1.10.8. Калибровка магнитных зондов 74
1.10.9. Расположение магнитных датчиков 79
1.10.10. Типичные осциллограммы сигналов магнитных датчиков 82
1.11. Система создания аксиального магнитного поля на установке «ангара-5-і». Проникновение аксиального магнитного поля в электроды установки 84
1.11.1. Конструкция и характеристики соленоида аксиального магнитного поля 85
1.11.2. Конструкция и характеристики источника питания системы магнитного поля 88
1.11.3. Синхронизация системы магнитного поля с установкой «ангара-5-1» 88
І.п.4. Влияние скин-эффекта на распределение магнитного поля в межэлектродном зазоре
Нагрузки установки 91
Расчет влияния электродов на распределение аксиального магнитного поля в области нагрузки 91
Измерение однородности аксиального магнитного поля в области нагрузки 95
Глава 2. Исследование распределения магнитных полей в плазме проволочной сборки 99
2.1. Измерение распределения азимутальных магнитных полей в плазме многопроволочных сборок 101
Ог^енка параметров плазмы, окружающей зонд 102
2.1.1. Одиночные проволочные сборки 104
Обсуждение результатов измерений азимутального магнитного поля 109
Выводы 120
2.1.2. Вложенные проволочные сборки 123
Экспериментальные результаты:'.' 126
Обсуждение результатов экспериментов по вложенным проволочным сборкам 148
Выводы 150
2.2. Влияние несинхронности срабатывания модулей установки на распределение тока по проволочкам сборки 151
Выводы 157
2.3. Измерение аксиальных магнитных полей во время имплозии проволочных сборок 157
2.3.1. Проверка методики 161
2.3.2. Цилиндрическая сборка,с равномерным расположением проволочек 162
2.3.3. Цилиндрическая сборка с расположением проволок по нескольким группам 169
2.3.4. Влияние начального аксиального магнитного поля на выход мощности рентгеновского излучения 175
2.3.5. Зависимость момента времени появления сигнала с зонда от межпроволочного расстояния 177
2.3.6. Цилиндрическая сборка с винтовой закруткой проволочек 178
2.3.7. Модель сжатия аксиального магнитного потока плазмой многопроволочной сборки 183
2.3.8. Выводы 189
2.4. Выводы главы 2 190
Заключение 192
Литература
- Лазерная диагностика. Теневое фотографирование плазмы
- Экранирующие свойства оболочек зондов
- Обсуждение результатов измерений азимутального магнитного поля
- Цилиндрическая сборка с расположением проволок по нескольким группам
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие в середине 60-х годов прошлого века генераторов электрических импульсов длительностью порядка 100 нс и мощностью > 0.01 ТВт было связано с необходимостью получать мощные пучки релятивистских электронов (РЭП), которые использовались например в технике нагрева плазмы [1], для создания мощных источников тормозного излучения (>1013 Р/с) [2], СВЧ источников мощностью 109-1010 Вт [3, 4], а также пучков легких ионов в диоде ускорителя [5]. Успехи в этих направлениях в тот период времени обусловили создание новых - более мощных установок (>10,3-1013 Вт с энергией в импульсе в несколько мегаджоулей). Существенным прорывом в создании генераторов тераваттного уровня были установки «Блэк-Джек-5», «Proto-H», «PBFA-I» (модернизация «Saturn», 8 MA, 40 не) - США и «Ангара-5-1» 3-4 МА, 90 не [6]) в 1983 году, Стенд 300, ГИТ 16 - Россия, применимых для получения мощных источников рентгеновского излучения, а также для исследований в области термоядерного синтеза. В термоядерном направлении основное внимание уделено созданию импульсного термоядерного реактора и дальнейшему изучению микровзрыва термоядерной мишени. Это направление было начато учеными «ИАЭ им. И.В. Курчатова» (СССР) и «Национальной лабораторией Сандиа» (США) и прошло значительный путь поиска оптимальных подходов для зажигания термоядерной мишени. Вначале, он был основан на применении энергии РЭП для электродинамического обжатия лайнеров передающих свою энергию на мишень (СССР) или на формировании мегаамперных пучков легких ионов (Сандиа, США). Так как физика зажигания мишени инвариантна по отношению к способу подвода энергии к мишени, то и требования на выходные параметры установок (мощность и энергия) в этих обоих случаях должны быть близки друг к другу. По представлениям того периода времени для зажигания мишени требовалась мощность >100-300 ТВт и энергия -1-3 МДж при длительности импульса <10 не. Создание мощных источников рентгеновского излучения также требует установок с близкими параметрами. б Следующим этапом стало развитие 2-х основных направлений по дальнейшему увеличению выходной мощности, основанных на физических методах ее обострения: обострение мощности рентгеновского излучения в 10-100 раз, получаемого при сжатии ускоренных мегаамперным током лайнеров (лайнерная схема). В СССР и США была предложена идея обжатия термоядерной мишени за счет ее абляции под воздействием мощных потоков мягкого рентгеновского излучения (МРИ) с энергией квантов несколько сотен электрон-вольт; бунчировка пучков ионов на мишени (схема нагрева мишени легкими ионами).
С 80-х годов прошлого века генераторы высокой мощности используются для создания горячей (>200 эВ) и плотной (>10 см") плазмы, которая является мощным источником МРИ. В ГНЦ РФ ТРИНИТИ на установке «Ангара-5-1», так и в США (Сандиа) начинает развиваться программа быстрого сжатия лайнеров. Основные исследования направлены на увеличение мощности и сокращение длительности импульса МРИ, возникающего при преобразовании энергии сжимающейся плазменной нагрузки, для ИТС и фундаментальных исследований. Переход из микросекундного диапазона длительности нарастания разрядных токов, характерного для классических пипчей, в наносекундный, характерный для мультитераваттных разрядов, обусловил применение сжимаемых объектов малого стартового размера (~1 см). Это существенно расширило возможности независимого выбора таких важных начальных параметров пинча как форма, масса, пространственное распределение плотности и состава, а также агрегатное состояние плазмообразующего вещества.
На первом этапе исследований были проведены опыты по ускорению лайнеров, имеющих начальную проводимость - проволочных сборок, представляющих собой равномерно расположенный по образующим цилиндра набор проволочек малого диаметра (~10 мкм) из вещества с большим Z (медь, алюминий, вольфрам). Количество проволок в этих экспериментах было мало и не превышало 6-24 штук. Уже в первых работах [7, 8, 9, 10] было показано, что до прихода основной массы на ось сборки там появляется плазма, несущая часть разрядного тока («плазменный предвестник») и проволочки большую часть времени имплозии находятся на своих начальных местах. Сжатие проволочной сборки носит характер постепенного перетекания вещества проволок на ось с образованием там пинча. При этом получались относительно «длинные» импульсы рентгеновского излучения длительностью в несколько десятков наносекунд («40-60 не). Максимальная энергия и мощность излучения (энергия квантов >200 эВ) при имплозии вольфрамовой сборки достигала »100 кДж и до 2 ТВт. Одной из причин, обуславливающих такой характер сжатия плазмы на ось проволочной сборки называлась, в то время, сильная начальная неоднородность распределения массы по окружности сборки.
В последующие годы эта причина обусловила применение в качестве плаз мо образующих нагрузок — нагрузки с однородным начальным распределением массы по окружности цилиндра — полые газовые струи (неон, криптон) и гетерогенные пенные цилиндры с различными наполнителями, повышающие излучательные характеристики плазмы (CsJ, КС1, молибден, вольфрам, TiN). В данном случае, плазма приготавливается самим генератором электрической мощности в результате электрического пробоя изначально неионизованного плазм о образую ще го вещества («холодный старт»). В ходе опытов на установке «Ангара-5-1» было обнаружено, что процесс пробоя пространственно неоднороден, магнитное поле нарастающего разрядного тока усугубляет начальные неоднородности. В момент пробоя вещества нагрузки происходит филаментацня тока по окружности цилиндра (азимутальная неоднородность тока). При «холодном старте» аксиальная неоднородность характеристик лаинерной плазмы может возникать в малоподвижном лайнере, на стадии плазмообразования как следствие азимутальной неоднородности разрядного тока. Неоднородность плазмы, возникающая при «холодном старте» лайнеров из гомогенного (газ) и гетерогенного вещества (пены), есть важный фактор, влияющий на компактность их сжатия и получения коротких импульсов рентгеновского излучения.
В 1988 году была предложена концепция двойного лайнера («динамический хольраум») [11] как многообещающий путь для облучения термоядерной мишени. Она позволяет преобразовать кинетическую энергию лайнера в излучение с импульсом, длительность которого значительно меньше длительности импульса генератора. Было проведено теоретическое и экспериментальное исследование динамического хольраума на установке «Ангара-5-1» и первые результаты были представлены в работах [12, 13]. Двойной лайнер - это каскадная система двух коаксиальных лайнеров из веществ с атомным числом Z»l. После ускорения магнитным давлением, внешний лайнер (полая газовая струя ксенона массой 0.1-0.2 мг/см) ударяется о внутренний (пена агар-агара средней плотностью 10 мг/см3 с добавками молибдена). При ударе возникает тепловое рентгеновское излучение, которое проникает в полость внутреннего лайнера и облучает мишень. Выход излучения в процессе соударения лайнеров составлял около 5-7 кДж. Интенсивность излучения внутренней поверхности полости достигает 3 ТВт/см2 с временем нарастания »3-5 не. Внешний лайнер обеспечивает вклад энергии и, одновременно, препятствует выходу . излучения наружу, увеличивая таким образом интенсивность излучения в горячей полости. По разнице интенсивностей рентгеновского излучения внутри и снаружи был продемонстрирован эффект «экранировки» излучения внешним лайнером. Внутренний лайнер служит для остановки сжатия внешней плазмы, преобразования кинетической энергии плазмы в излучение и для гидродинамической изоляции мишени от сжимающейся плазмы внешнего лайнера до ее зажигания. После удара оба лайнера сжимаются вместе из-за инерции и давления магнитного поля, формируется Z-пинч и возникает импульс излучения большой мощности с временем нарастания 5-10 не, полным выходом излучения около 50 кДж и мощностью »3 ТВт.
После запуска в середине 90-х годов в США новой установки «PBFA-II» (или «Z») в работах [14, 15] было показано, что на проволочных сборках, состоящих из большого числа проволочек (>100) при токах «20 МА могут быть получены импульсы рентгеновского излучения (>200 эВ) длительностью несколько наносекунд («6-8 не), мощностью «280 ТВт и энергией «1.8 МДж. Использование сборок, состоящих из большого количества проволочек состоящих из материалов с большим Z привело к увеличению эффективности конверсии энергии электрического импульса в рентгеновское излучение. Успехи в этой области вызвали в мире новый интерес к исследованию уже многопроволочных сборок которые ведутся и по сей день.
По современным представлениям для зажигания термоядерной мишени требуется мощность рентгеновского импульса >1000 ТВт и энергия -10-20 МДж [16], которые могут обеспечить следующий класс установок «Байкал» (Россия) и «Х-1» (США) (50 МА, 100-300 не), проектируемых в настоящее время [17, 18]. В настоящее время рассматриваются две перспективные схемы генерации рентгеновского излучения для исследований по облучению термоядерной мишени в установках, использующих Z-пинч [19]: «схема двойного лайнера {«динамический хольраум»), характеризуется расположением мишени в полости внутреннего лайнера. схема, называемая «вакуумный хольраум», предполагает, что сжатие наружного лайнера происходит до значительно больших степеней чем в предыдущей схеме.
При этом полость хольраума образуется «холодными стенками», окружающими излучающий пинч. Внутри этой полости расположена мишень.
Преимуществом второй схемы является, во-первых, возможность избежать потоков плазмы на мишень и, во-вторых, больший коэффициент полезного действия при преобразовании энергии генератора в рентгеновское излучение. К недостаткам этой схемы следует 'отнести значительные потери излучения на стенках. К достоинствам схемы динамического хольраума следует отнести относительно малую площадь поверхности стен хольраума, а к недостаткам -сложность организации равномерного облучения мишени внутри внутреннего лайнера и влияние потоков плазмы на расположенную в центре мишень.
В работах по исследованию многопроволочных вольфрамовых сборок, проведенных на установках «Ангара-5-1» и «MAGPIE» (1.4 МА, 240 не, «Империал колледж», Англия) [20, 21] было показано, что явления, описанные в ранних работах на установке «Ангара-5-1», имеют место и в сборках, состоящих .,10.; из большого количества проволочек. В экспериментах при токах 3-4 МЛ были получены импульсы рентгеновского излучения длительностью »6 нс (мощностью «5 ТВт и энергией от 30 кДж), что указывает на сходство процессов, имеющихся на установке «Ангара-5-1» и «Z», несмотря на существенное различие токов установок.
В работах [22, 23] предполагалось, что при уменьшении межпроволочного зазора в проволочной сборке и достижении некоторого критического зазора (<0.1 мм) на начальном радиусе расположения проволок образуется тонкая (толщиной со скин-слой) плазменная оболочка, способная компактно сжиматься на ось.
Коллективом установки «Ангара-5-1» была предложена другая модель [24], описывающая эти явления. Определяющим в сжатии многопроволочных сборок является процесс длительного плазмообразования.
Под термином «длительное плазмообразоеапие» понимается наличие в плазме областей с высокой плотностью и размером менее толщины скин-слоя, погруженных в относительно менее плотную токонесущую плазму. При этом скорость образования низкоплотной плазмы из высокоплотной >h(t) [мкг/(см2-с)], приведенная к единице площади проволочного цилиндра, образованного проволоками, является важным параметром, определяющим распределение вещества и магнитного поля при сжатии проволочной сборки. Из-за непрерывного сноса токонесущей плазмы к оси возникает радиальное распределение плазмы с толщиной заметно большей толщины скин-слоя. Образуется плазма, пронизанная током и магнитным полем. Она может быть и не сплошной (в азимутальном направлении) на начальных этапах сжатия. Ускорение такой плазмы к оси системы обеспечивается не действием магнитного поршня на внешнюю границу плазмы проволочной сборки, а объемной силой Ампера jx-B/c, действующей по всей толщине плазмы. Такая конструкция плазменного лайнера, по-видимому, существенно меньше подвержена неустойчивости Релея-Тейлора, по сравнению с тонкими плазменными оболочками толщиной порядка скин-слоя. Распределение магнитного поля и вещества внутри проволочной сборки должны существенным образом определять характер ее сжатия, длительность и мощность
II генерируемого импульса МРИ. Важными являются вопросы о диффузии и скинировании тока на протяжении всего времени имплозии, о соотношении полного тока, протекающего через Z-шшч и через малоплотную окружающую плазму. Недостаточная изученность этих вопросов на момент начала работы автора над диссертацией, необходимость проверки теоретических воззрений и необходимость получения информации о процессе сжатия проволочных сборок определили тему данной диссертации.
Целью работы является экспериментальное исследование распределений магнитных полей во время имплозии многопроволочных сборок.
Структура представленной работы отражает характер экспериментальных исследований. Диссертация состоит из Введения, краткого обзора методов измерения магнитных полей, 2-х глав и Заключения, содержит 7 таблиц, 98 рисунков и библиографию, включающую 84 наименование. Общий объем диссертации составляет 199 страниц.
Содержание работы.
В кратком обзоре приведен небольшой обзор литературы по методам измерения магнитных полей в плазме Z-пинчей (магнитные зонды, эффект Зеемана, оптический эффект Фарадея). .:_.,,
В первой главе диссертационной работы описаны технические и электрические характеристики установки «Ангара-5-1», а также часть диагностических методик, развиваемых на установке автором и его коллегами, использованных в экспериментах, представленных в данной работе. Основное внимание уделено магнитозондовой методике измерения магнитных полей в сжимающихся многопроволочных лайнерах, разработанной автором для условий эксперимента данной установки. Проанализированы факторы, ограничивающие применение данной методики (электронные пучки, разрушение зонда, экранировка плазмой и электростатическими экранами и т.п.). Приведены конструкции магнитных зондов для измерения азимутальной и аксиальной компонент магнитных полей. Приведена методика калибровки магнитных датчиков в однородном поле катушки Гельмгольца с точностью лучше 5 %.
Точность измерения зондом индукции магнитного поля, связанная с обтеканием его плазмой, оценивается в 15-20 % для зондов размером меньше, чем толщина скин-слоя.
В этой же главе описана система создания аксиального магнитного поля, которая позволяла получать в объеме проволочной сборки напряженность от 0 до 15 кГс за «2-2.5 мс. Представлена конструкция и расчет параметров источника питания (конденсаторная батарея) и многовиткового соленоида Вг-поля. Приведены измерения проникновения миллисекундного Вг-поля в межэлектродный зазор установки. Измеренная неоднородность аксиального поля в зазоре составила «30%. Рассчитано влияние скин-эффекта в электродах установки на распределение аксиального магнитного поля в зазоре.
Во второй главе представлены экспериментальные данные и результаты расчета измерений азимутальной и аксиальной компонент магнитных полей внутри сжимающихся многопроволочных сборок и вблизи них. В первой части этой главы обсуждаются результаты измерений Вф-полей внутри и вне проволочных сборок. В процессе имплозии измерены скорость движения и амплитуда тока "предвестника", толщина плазмы, несущей ток, и ее скорость. Показано, что азимутальный магнитный поток проникает внутрь лайнера еще на ранних стадиях разряда, как следствие явления затянутого плазмообразования. Путем сопоставления временной зависимости индукции азимутального магнитного поля, измеренной на разных радиусах внутри проволочной сборки, с расчетной кривой (1-мерный расчет) восстанавливалась зависимость интенсивности плазмообразования от времени m(t). По полученной зависимости m(i) рассчитывались радиальные распределения тока I(
Научная новизна . работы обусловлена параметрами экспериментального комплекса «Ангара-5-1», оригинальностью разработанных диагностических методик и полученных с помощью них результатов.
Впервые в мире измерено распределение азимутального магнитного поля во время имплозии проволочных сборок различных конструкций (одиночные, вложенные, винтовые). При этом: показано, что магнитное поле вмораживается в плазму и проникает внутрь проволочной сборки на начальной стадии ее имплозии. впервые количественно измерены параметры «предвестника» - плазменного образования на оси сборки, появляющегося на начальной стадии имплозии задолго до образования Z-пинча. Ток и масса «предвестника» в различных режимах составили от 3% до 15% разрядного тока и «1-=-2% полной массы проволочной сборки соответственно. впервые экспериментально показано, что до 40 не ток в основном протекает в отдельных плазменных струях, распространяющихся к центру сборки от каждой проволочки и не образует замкнутой азимутальной оболочки. впервые в сжимающихся проволочных сборках измерен скачок амплитуды магнитного поля (»40%) вблизи начальной границы проволочной сборки на протяжении почти всего времени плазмообразования. впервые из экспериментально измеренных временных зависимостей индукции азимутального магнитного поля рассчитаны интенсивность плазмообразования m(t), радиальные распределения тока и вещества внутри проволочной сборки в разные моменты времени имплозии. Обнаружено уменьшение скорости плазмообразования m(t) на финальной стадии плазмообразования. впервые показано, что наличие внутреннего каскада в случае вложенных проволочных сборок влияет на плазмообразование и динамику внешнего каскада. Это может быть одним из методов оптимизации выхода мощности МРИ в нагрузках данного типа. исследовано сжатие аксиального магнитного потока таким типом лайнера как многопроволочная сборка. Показано, что сжатие аксиального магнитного потока может быть использовано как диагностический метод исследования динамики токовой плазмы на начальной стадии имплозии проволочной сборки. Обнаружено, что аксиальный магнитный поток может эффективно (до 60-80% от начального потока) вмораживаться в области источников плазмы (взорванных проволок) и сжиматься на ось сборки. Предложен механизм переноса внешнего аксиального магнитного поля в центральную область сборки, не связанный с образованием замкнутой токовой оболочки («магнитный насос»). показано, что в случае винтовой проволочной сборки генерируемый ей аксиальный магнитный поток сжимается по тому же сценарию, что и для случая сборки с вертикальным расположением проволок (механизм «магнитного насоса»). В течении первых 40 не разряда токовые каналы наклонены к оси сборки под постоянным углом, соответствующим начальному углу наклона проволочек в сборке.
Научная и практическая ценность работы:
Впервые в экспериментах по имплозии проволочных сборок разработана магнитозондовая методика измерении магнитных полей в плазме с параметрами: Тс^25-30 эВ, пси1016 см"3, работоспособная при воздействии мощных потоков рентгеновского излучения ~1 ТВт/см и при уровне токов до 5 МА, которая может быть применима в исследованиях, проводимых на установках мегаамперного класса.
Проведенные по этой методике исследования показали отличие сжатия многопроволочных сборок от классической 0-мерной модели [25]. Получены новые численные данные для проверки теоретических моделей, учитывающих в своих расчетах явление затянутого плазмообразования и профили магнитного поля на различных радиусах сборки.
Результаты работы будут использованы для расчета и проектирования крупных установок, генерирующих импульс рентгеновского излучения для ИТС и других приложений, проверки расчетных схем, описывающих сжатие проволочных сборок для создания излучателей с большим выходом рентгеновского излучения.
Степень обоснованности результатов и выводов диссертации основана на большой экспериментальной информации, полученной с помощью набора взаимодополняющих диагностических методик. Экспериментальные результаты в основном согласуются с численными теоретическими расчетами.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации представлялись на Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС в 2000-2005 годах, на 13th International Conference on High-Power Particle Beams (BEAMS'2000, Nagaoka, Japan, 2000), на Euroconference of Advanced Diagnostics FOR MAGNETIC AND INERTIAL FUSION (Varenna, Italy, 2001), на 28,h IEEE International Conference on Plasma Science and 13lh International Pulsed Power Conference (Las Vegas, USA, 2001), на 5,h International Conference on Dense Z-Pinches (Albuquerque, New Mexico USA, 2002), на 14Ih IEEE International Pulsed
16Power Conference (Dallas, Texas USA, 2003), на 30lh European Physical Society Conference on CONTROLLED FUSION AND PLASMA PHYSICS (EPS-2003, r. Санкт-Петербург, 2003г.), на 1-ом Всероссийском семинаре по Z пинчам (г. Москва, РНЦ «Курчатовский' институт», 2004г.), на X Всероссийской конференции «Диагностика высокотемпературной плазмы» (г. Троицк,
Московской области, 2003г.), на 15th International Conference on High-power Particle Beams (BEAMS'2004, г. Санкт-Петербург, 2004г.), а также на семинарах отдела в ГНЦ РФ ТРИНИТИ.
Материал, на основе которого написана диссертация, опубликован в работах [24,41,43,44,71,82,83,84].
Личный вклад автора. Основные, результаты работы получены автором самостоятельно. Автором разработаны конструкции микрозондов, методика их калибровки, проведены измерения и обработка полученных сигналов.
Основные положения выносимые на защиту
Наиболее существенными результатами, представленными к защите, являются следующие:
Разработана магнитозондовая методика измерений магнитных полей в плазме проволочных сборок с тераваттной мощностью излучения.
Проведенные по этой методике исследования показали отличие сжатия многопроволочных сборок от классической модели «тонкой» оболочки (0-мерная модель). Подтверждено наличие затянутого плазмообразования характерного для имплозии проволочных сборок. Показано, что проволочная сборка значительное время имплозии является источником производства плазмы с интенсивностью - m(^)~-I(t)2. На финальной стадии имплозии временной ход скорости плазмообразования является спадающим.
3. С помощью разработанной методики определена токовая структура, образующаяся при сжатии проволочных сборок мегаамперным током. Определены азимутальный и радиальный профили тока такой плазмы, получены численные данные для проверки теоретических моделей, учитывающих явление затянутого плазмообразования. Показано, что радиальный профиль тока значительно шире чем толщина скин-слоя. Характерная толщина профиля тока в радиальном направлении сравнима с радиусом сборки. В азимутальном направлении плотность тока неоднородна -ток в течении первых 30-40 не протекает по отдельным струям вытянутым от источников плазмы (проволочек) в сторону оси сборки.
Ток и масса «предвестника» равны 3%-М 5% разрядного тока и «1-ь2% полной массы проволочной сборки соответственно в различных режимах сжатия.
Показано существование скачка амплитуды магнитного поля (»40%) вблизи начальной границы проволочной сборки, свидетельствующее о продолжении там плазмообразования.
В случае вложенных сборок, показано, что, начиная с некоторого числа проволок во внутренней сборке, ее присутствие влияет на перераспределение токов между сборками, плазмообразование и динамику внешней сборки. В некоторых режимах сжатия движение плазмы между сборками становится дозвуковым (v Применение вложенных сборок позволяет профилировать импульс рентгеновского излучения. Наблюдается сокращение длительности МРИ в квантах >100 эВ от 20 не до 6.5-9 не при уменьшении межпроволочного зазора во внутренней сборке от 5 мм до 0.3 мм для вложенных сборок с отношением радиусов внешней и внутренней сборок яЛ.66 и 2. Эффект сжатия внешнего аксиального магнитного потока был использован как диагностический метод исследования динамики токовой плазмы на начальной стадии имплозии проволочной сборки. С помощью этого метода было определено движение внутренней границы плазмы. Скорость внутренней границы равна (1-2)-107 см/с. Начальное аксиальное магнитное поле меньше 5 кГс не влияет на мощность МРИ. При дальнейшем увеличении поля до 15 кГс мощность МРИ уменьшается до уровня менее 0.1 ТВт. Предложен и обоснован экспериментально механизм сжатия аксиального магнитного потока, не связанный с образованием замкнутой токовой оболочки («магнитный насос»). Для диагностики высокотемпературной плазмы в мишенном узле установки применялись как активные методики с использованием зондирующего лазерного (теневое кадровое фотографирование) [37] и рентгеновского излучения [38], так и методики, основанные на измерении собственного излучения плазмы (вакуумные рентгеновские диоды (ВРД) [39], полупроводниковые диоды (p-i-n детекторы), 4-х кадровая рентгеновская камера и камеры-обскуры за различными фильтрами [40], СФЭР-2 с временной разверткой изображения плазмы в оптическом диапазоне спектра). Имеется набор электротехнических датчиков для измерения тока [41] и напряжения вблизи нагрузки [42]. Указанные диагностические методики созданы многими участниками исследований на "Ангаре-5-1". Впервые на установке «Ангара-5-І» и подобных сильноточных ускорителях была применена магнитозондовая методика исследования магнитных полей, возникающих в плазме, посредством магнитных зондов миниатюрных размеров [41, 43, 44], разработанная автором. Инициатором магнитных измерений был Гиви Георгиевич Зукакишвили Зондирование плазмы серией из трех коротких лазерных импульсов позволяет исследовать динамику развития плазмы и сделать оценку электронной плотности плазмы. Схема установки представлена на рис. 3. Источником света служил рубиновый лазер с модулированной добротностью и электрооптической системой формирования короткого зондирующего лазерного импульса с энергией 100 мДж и длительностью 3-4 не. Луч лазера с помощью трехканалыюй линии оптической задержки расщеплялся на три примерно одинаковых по интенсивности импульса, временные интервалы между импульсами составляли 13 не. Оптическая система была настроена так, чтобы пленка и лайнер находились в сопряженных оптических плоскостях и изображение лайнера передавалось ;на пленку без изменения масштаба изображения (1:1). Пространственное разрешение лазерного фотографирование было не хуже 50 мкм. Изображение плазмы на пленке создается в результате поглощения и рефракции света лазера в исследуемой плазме. Оценим относительную роль этих механизмов. Наиболее существенным механизмом поглощения лазерного излучения при использовании невысоких энергетических параметров лазерного импульса являются электрон-ионные столкновения. Поглощение характеризуется длиной поглощения 1, на которой интенсивность лазерного луча уменьшается в е раз [37, с. 10]: где Тс -электронная температура плазмы в эВ, пе - электронная плотность (см"3), z - средний заряд ионов плазмы, I - длина поглощения (см). Согласно этой формуле, электронная плотность, которая может быть зафиксирована на пленке, должна быть больше 3-10lse3/4 z" , если предположить, что средняя протяженность плазмы вдоль луча лазера 1 мм. Для Те=20 эВ, z=10, пе составляет »9-10 см". Другим параметром, определяющим изображение плазмы на пленке, является рефракция света на неоднородностях плазмы. Свет, отклоненный на величину, большую апертурного угла системы, не попадает на пленку и, таким образом, ослабляет почернение пленки. Оценить скачок электронной плотности, который вызовет такое отклонение можно при помощи формулы [37] Дпе 2.5 где ф - апертурный угол системы, Li - поперечный размер неоднородности в направлении, перпендикулярном лазерному лучу (см), Lj - размер плазменного объекта вдоль луча лазера. В нашем случае р— 1.7-10 , поэтому Дпе-ФЮ /Ьпсм 3. Таким образом, рефракция будет преобладать над поглощением света при формировании изображения плазмы, если поперечный размер неоднородности (Lj.) меньше ее размера вдоль лазерного луча(Ь 11). Формула (2) применима для оценки электронной плотности плазмы пинчевой области разряда, где более менее все однородно заполнено плазмой. Формулой (3) следует пользоваться при оценках пе в областях, где плазма распределена очень неоднородно, что особенно характерно для многопроволочных лайнеров на начальной стадии разряда, когда видны взорвавшиеся проволочки и отходящие от них к оси лайнера струи плазмы. Для получения изображений проволочных сборок использовалась 4-х кадровая рентгеновская камера (4-х кадровая камера-обскура с МКП- пласти ной). Схематически устройство такой камеры показано па рис. 4. Диапазон чувствительности МКП-матрицы с временным затвором и регистрацией на фотоплёнку находился в области энергии квантов от 20 эВ до нескольких кэВ с максимумом чувствительности около 200 эВ. Квантовый выход в области 1 кэВ составлял примерно половину от максимальной величины. Для улучшения разрешения наиболее мягкая часть спектра срезалась как поглощающим фильтром из майлара толщиной 2.5 мкм (поверхностная плотность 340 мкг/см ). Пропускающая способность майларовой пленки функция энергии кванта представлена на рис. 5. Для надежного выделения аксиальной компоненты магнитного поля были применены два медных экрана с аксиальными прорезями, направленных навстречу друг другу» таким образом, что щели обоих экранов располагались с противоположных сторон. Получался своеобразный «лабиринт» для азимутальной компоненты магнитного поля (см. рис. 16(a)). Во избежание закорачивания экрана экраном и «заплывания» аксиальных щелей плазмой, экраны разделялись тефлоновой пленкой толщиной -0.02 мм и покрывались фольговым экраном NbTi с большим удельным сопротивлением («57 мкОм-см) и толщиной «(10-15) мкм (время диффузии электромагнитного поля через такой экран 1диф=1.5 не). Фольга NbTi играла роль электростатического экрана и защиты от электронных пучков, возникающих в зазоре анод-катод сильноточного генератора электрической мощности. Один вывод катушки припаян на медную трубку-экран, а второй соединен проводником длиной «250 мм с центральной жилой коаксиального кабеля (см. рис. 16(a)). Внутри экранов катушки заливались эпоксидным клеем. Чувствительность зонда составляла (55-450) В-нс/кГс. Зонд данной конструкции применялся в экспериментах по сжатию аксиального магнитного потока многопроволочным лайнером. Магнитные зонды для измерения азимутальной компоненты магнитного поля Зонд для измерения магнитного поля внутри плазмы Диаметр петель магнитного зонда был 300 мкм (1 виток). Конструкция зонда представлена на рис. 16(6). Поперечный размер зонда набегающему потоку плазмы «0.7-0.8 мм, что меньше расстояния между отдельными проволочками лайнера (1-1.5 мм). Измерительные петли уложены между двумя пластинками слюды . толщиной «35 мкм. Снаружи зонд закрыт электростатическим экраном из NbTi толщиной (10-15) мкм. Все, подводящие проводники петель зондов уложены в медном экране, толще скин-слоя для характерных времен изучаемых процессов. Один вывод петли припаян к медному экрану, а второй соединен проводником длиной «250 мм с центральной жилой коаксиального кабеля. Чувствительность зонда составляла (14-20) В-нс/кГс. : Данный зонд был использован в экспериментах по изучению радиальной и азимутальной структуры токовой оболочки плазмы, образованной динамическим многопроволочным лайнером, а также для измерения тока «предвестника». Зонд для измерении магнитного ноля вблизи нагрузки установки Магнитный зонд состоит из двух миниатюрных петель намотанных в разные стороны (по часовой и против часовой стрелки). Площадь петель «0.8 мм (1 виток). Конструкция зонда представлена на рис. 16(в). Измерительные петли уложены в диэлектрический каркас цилиндрической формы. Петли зондов и подводящие проводники петель зондов уложены в медном экране, толще скин-слоя для характерных времен изучаемых процессов. Медный экран имеет щель толщиной «0.3 мм в азимутальном направлении. Во избежание закорачивания экрана экраном и «заплывания» щели плазмой, экраны разделялись тефлоновой пленкой толщиной «0.02 мм и покрывались фольговым экраном NbTi. Торец цилиндрического медного экрана заливался припоем, во избежание воздействия электронных пучков, возникающих в зазоре анод-катод сильноточного генератора электрической мощности. Один вывод петли припаян к медному экрану, а второй соединен проводником длиной «250 мм с центральной жилой коаксиального кабеля. Чувствительность зонда составляла (300-400) В-нс/кГс. Данный зонд был использован в экспериментах по измерению тока вблизи нагрузки. Так как магнитозондовый метод измерения магнитных полей внутри плазмы является контактным методом, всегда существует вопрос о влиянии датчика на характеристики плазмы и точности измерения магнитных полей. Основное преимущество магнитных зондов состоит в том, что с их помощью измеряется магнитное поле в малом объеме (по существу в объеме зонда), тогда как спектроскопические методы дают величину поля, усредненную вдоль линии наблюдения. Достоинство спектральных методик заключается в том, что они в отличие от зондовых измерений не вызывают возмущений плазмы. Проанализированы факторы ограничивающие использование магнитных зондов в мощных разрядах, таких как испарение оболочки зонда под воздействием МРИ и корпускулярных потоков, экранировка магнитных зондов плазмой, возмущение динамики плазмы при обтекании оболочки зонда, воздействие электронных пучков, возникающих в межэлектродном зазоре установки. Особенность использования маги итозондо вой методики в условиях установки «Ангара-5-1» связана с тем, что на датчики воздействуют мощные потоки заряженных частиц и рентгеновского излучения достаточные для их разрушения. В принципе еще до физического разрушения датчиков могут меняться их характеристики (чувствительность, временное разрешение) вследствие абляции вещества зонда и образования на его поверхности плазмы. Важным фактором является также вмороженность магнитного поля в плазму лайнера. Теоретический анализ показал, что возникающая на поверхности зонда плазма не может прогреться выше нескольких эВ и следовательно не приводит к заметной экранировке магнитного поля. Одним из основных вопросов при исследованиях физики имплозии и динамики ускорения лайнеров является вопрос о параметрах токовой оболочки. Важную информацию об этих параметрах при имплозии проволочной сборки может дать измерение магнитных полей внутри нее. Пространственное распределение плотности плазмы и тока существенным образом должны влиять на устойчивость плазмы, диссипацию магнитной энергии и мощность мягкого рентгеновского излучения (МРИ). Экспериментальное определение профиля азимутального магнитного поля в сжимающемся лайнере важно для выбора теоретических моделей сжатия. Так, из работ [24, 22, 23, 61] вытекают различные толщины токовой оболочки сжимающегося лайнера. Уже в первых работах [7-10] было показано, что сжатие проволочных цилиндров состоящих из нескольких проволочек отличается от классической 0-мерноЙ модели. Вместо ускорения материала проволочек, как целого, наблюдалось постепенное перетекание плазмы от начального положения проволочек к центру, появление токового предвестника на оси задолго до сжатия основной массы и относительно длинный, составляющий 2-3 десятка наносекунд, рентгеновский импульс. Осознание этих явлений вызвало переход к цилиндрическим нагрузкам другого типа - газовым кольцевым струям, пенным лайнерам. Однако в середине 90-х годов в работах [14,15] было показано, что на проволочных сборках, состоящих из большого числа (несколько десятков - сотни проволочек) могут быть получены импульсы рентгеновского излучения длительностью несколько наносекунд при длительности тока 100 не. Это вызвало новый интерес к исследованию проволочных сборок. В работах по исследованию многопроволочных вольфрамовых сборок [20, 21] было показано, что явления, описанные в ранних работах, имеют место и в сборках, состоящих из большого количества проволочек. В работе [24] была предложена модель, описывающая эти явления в приближении бесконечного количества проволочек. В экспериментах при токах 3-4 МА были получены импульсы рентгеновского излучения длительностью б нс, что указывает на сходство процессов, имеющихся на установке «Ангара» и «Z» [14, 15], несмотря на существенное различие токов установок. Определяющим в сжатии, многопроволочных сборок является процесс длительного плазмообразования. Под термином «длительное плазмообразование» мы условимся понимать ниже не просто процесс ионизации, а процесс формирования плазмы с достаточно высокой проводимостью, такой, что эта плазма воспринимает на себя большую долю тока генератора. Из-за непрерывного сноса токонесущей плазмы к оси установки возникает радиальное распределение плазмы с толщиной заметно большей толщины скин-слоя. Оно может быть и не сплошным в азимутальном направлении. Ускорение такой плазмы к оси системы обеспечивается не действием магнитного поршня на внешнюю границу плазмы проволочной сборки, что приводит к сильным иеустойчивостям, а объемной силой Ампера jxB/c, действующей почти равномерно по всей толщине плазмы. Такая конструкция плазменного лайнера существенно меньше подвержена неустойчивости Релея-Тейлора, по сравнению с тонкими плазменными оболочками с толщиной порядка скин-слоя. Измерения азимутальных магнитных полей проводились как внутри, так и снаружи сжимаемой током проволочной сборки. Кроме измерения азимутальных магнитных полей исследовалось сжатие аксиального магнитного потока. Аксиальный магнитный поток создавался специальным соленоидом или же генерировался самой проволочной сборкой за счет придания ей винтовой формы. Измерения аксиальных магнитных полей проводились на оси сборки. Исследовалось сжатие плазмой аксиального магнитного потока. В отличие от схемы «flux compression», где сжимающееся лайнером начальное продольное магнитное поле используется для превращения кинетической энергии лайнера в магнитную, слабое диагностическое продольное магнитное поле не должно возмущать движение плазмы вплоть до момента, когда радиус токовой оболочки уменьшится в несколько раз. В первоначальной постановке эксперимента предполагалось, что захват и сжатие магнитного потока наступает только после объединения зон проводимости отдельных проволочек и образования сплошной замкнутой в азимутальном направлении (толще скин-слоя) проводящей оболочки. Временной ход величины магнитной индукции аксиального поля позволяет с точностью до толщины скин-слоя оценить внутренний радиус проводящей оболочки сжимающейся плазмы проволочной сборки. В данной главе приведены экспериментальные результаты измерения азимутальных и аксиальных магнитных полей в плазме сжимающихся проволочных сборок. Задачей эксперимента было исследование параметров токовой оболочки с течением времени имплозии — получение радиальных распределений плотности, тока и скорости плазмы. Были изучены параметры предвестника — его ток, сделана оценка его массы. Далее, в течение времени имплозии продолжается генерация плазмы кернами наружной сборки. Результаты работы [72] указывают на то, что исчерпание вещества на разных участках кернов происходит не одновременно. При этом испаряемое в последний момент вещество имеет вид отдельных «точек», хаотически разбросанных на первоначальном радиусе наружной сборки. В течение времени, до начала исчерпания вещества проволок внешней сборки, классическая Рэлей-Тейлоровская неустойчивость не развивается. По мере исчерпания вещества внешней сборки в некоторых ее местах возможно развитие модулированных как по оси, так и по углу областей, где внешнее магнитное поле тока, вытесняя вещество, перемещается к оси сборки (плазменный ливень). Можно создать такие условия взаимодействия плазменных потоков внешней сборки с плазмой внутренней сборки, при котором будут эффективно подавляться возмущения, присущие плазменному ливню при движении плазмы к оси сборок. Как следствие этого, варьируя параметры внутренней сборки, можно получить импульсы МРИ малой длительности и большой амплитуды. По мере исчерпания вещества внутренней сборки, вещество сборок окончательно собирается на ось. Выводы Измерения магнитного поля внутри вложенных проволочных сборок позволили получить информацию о распределении тока по сборкам. Новым является обнаружение влияния внутренней сборки на распределение тока в пространстве между сборками. Это указывает на то, что, по крайней мере, для некоторых параметров внутренних сборок движение плазмы в пространстве между сборками является дозвуковым (доальфвеновским). Проведенные измерения азимутальных магнитных полей внутри вложенных проволочных сборок и параметров МРИ позволяют сделать следующие выводы: Ток начинает протекать одновременно по внешней и внутренней сборкам. Доля тока, протекающего по внутренней сборке зависит от индуктивностей внешней и внутренней сборки. Доля тока, протекающего по внутренней сборке до прихода плазмы с током внешней сборки составляет 3-5 % полного тока (до «40 не разряда). Этот результат указывает на протекание тока вблизи каждой проволочки без образования общей цилиндрической оболочки. Обнаружена зависимость задержки появления тока предвестника на уровне более 2 кА и основного тока разряда внутри объема внутренней сборки от количества проволок в ней (или от межпроволочного расстояния внутренней сборки). Чем больше проволок во внутренней сборке, тем позже происходит проникновение тока в объем внутренней сборки. Наблюдается увеличение доли тока, протекающего внутри радиуса 9 мм при увеличении числа проволок во внутренней сборке. Наличие внутренней сборки приводит к перераспределению тока по плазме в пространстве между сборками, почти на радиусе внешней сборки. Наличие внутренней сборки влияет на истечение плазмы с внешней сборки. На радиусе внешней сборки формируется скачок магнитного поля связанный с ускорением вещества до скорости Альфвена. Величина скачка магнитного поля вблизи радиуса внешней сборки уменьшается от «40% до -5-10% с увеличением числа проволочек во внутренней сборке от 8 до 120. В среднем вложенные сборки обеспечивают лучшую повторяемость, более высокую мощность и меньшую длительность импульса, чем одиночные. Наблюдается сокращение длительности МРИ в квантах 100 эВ до 6.5-9 не при уменьшении межпроволочного зазора во внутренней сборке от 5 мм до 0.3 мм. При увеличении количества проволок внутренней сборки от 24 до 120 появляется «пик» на переднем фронте импульса МРИ, связанный с взаимодействием плазменных потоков внешней сборки с плазмой внутренней сборки. Это взаимодействие происходит вблизи начального радиуса внутренней сборки.Лазерная диагностика. Теневое фотографирование плазмы
Экранирующие свойства оболочек зондов
Обсуждение результатов измерений азимутального магнитного поля
Цилиндрическая сборка с расположением проволок по нескольким группам
Похожие диссертации на Исследование распределения магнитных полей в сжимающихся проволочных сборках с затянутым плазмообразованием
