Введение к работе
Актуальность работы. Установки типа Плазменный фокус (ПФ) получили широкое распространение в научных лабораториях мира благодаря обширному спектру наблюдаемых физических явлений, с одной стороны, и относительной доступности и простоте эксплуатации — с другой. В то же время получаемые на этих установках параметры плазмы (п ~ 1018—1019 см-3, Т ~ 1 кэВ, t ~ 1СГ7 с) и уровни различного типа излучений (нейтронного, электромагнитного в широком диапазоне длин волн — от инфракрасного до жесткого рентгеновского, пучков заряженных частиц) делают ПФ весьма привлекательным для различных практических приложений, включая проблему УТС. В настоящее время на установках такого типа работают исследовательские группы в России, США, Италии, Польше, Китае и других странах.
Исследование динамики импульсной плазмы и причин развития ее неустойчивостей требует изучения формы плазменных образований, распределения плотности заряженных частиц в пространстве и их изменений во времени. Измерение этих параметров приобретает особую актуальность в связи с рассмотрением ПФ в качестве драйвера для обжатия лайнериых мишеней Целью исследований является выяснение возможности сверхсильного сжатия пинчевой перетяжки за счет радикального повышения устойчивости и изменения динамики сжатия за счет сильной неравновесности исходной плазмы. Требуемую диагностику позволяют реализовать лазерные методы:
теневой метод (визуализация резких градиентов плотности — ударных волн),
интерферометрия (регистрация пространственного распределения показателя преломления плазмы, основной вклад в который вносит электронная компонента, с последующим определением плотности плазмы).
Основным достоинством применения оптических методов диагностики плазмы является обеспечение высокого временного и пространственного разрешения.
В настоящее время ведутся работы по сжатию различных типов лайнеров с использованием в качестве драйвера установок типа ПФ. Представляет интерес повышение параметров плазмы, устойчивость сжатия и выход рентгеновского излучения. В последнее время проявляется значительный интерес к исследованиям пылевой плазмы. Этот интерес связан с более ясным пониманием широкой распространенности пылевой плазмы в природе (например,
космическая плазма) и в лабораторном эксперименте, что придает этим исследованиям фундаментальный характер В начале 60-х годов Ch. Maisonnier, J Н. Lmhart и М. Haegi предложили использовать двухэлектродную схему с инжекцией микрочастиц в межэлектродный промежуток (микрочастичный диод) для формирования плазменной оболочки в экспериментах с полым динамическим пинчом с помощью тонкого пылевого слоя. Использование этого метода для формирования мишени в виде пылевого облака в экспериментах с импульсной сильноточной плазмой представляет значительный интерес. Данный подход имеет ряд преимуществ, связанных прежде всего с возможностью широкого варьирования массы, формы и элементного состава нагрузки.
Важной и отличительной особенностью эксперимента, представленного в данной работе, является исследование с высоким временным и пространственным разрешением процесса взаимодействия токово-плазменной оболочки (ТПО) с лайнером или пылью, исследование фазовых переходов в многофазной среде (пыль + плазма) при взаимодействии высокотемпературной плазмы плазменного фокуса с пылевыми частицами. Исследование динамики сжимающегося лайнера в плазме в условиях сильной неравновесности, создаваемой большими электрическими токами, проходящими через плазменную компоненту (~ 1 МА), высокой температурой этой плазмы (~ 1 кэВ) и большими МГД-скоростями (~ 107 см/с), также представляет значительный научный интерес.
Обоснованием возможности использования ПФ-разряда в качестве драйвера для сжатия лайнеров служат проведенные ранее работы и предварительные эксперименты (впервые на ПФ-системах) с конденсированными нагрузками Проведенные эксперименты позволили сделать предварительные выводы о повышении МГД-устойчивости пинча при введении как лайнера, так и пылевой мишени, и о зависимости устойчивости пинча от их погонной массы
В последнее время значительное внимание уделяется исследованию динамики токово-плазменной оболочки в тяжелых сильноизлучающих газах (неон, аргон)
Целью настоящей работы является изучение свойств плазмы и ее воздействия на различные типы мишеней с помощью двумерных изображений плазмы (теневых и ннтерферометрических) с высоким пространственным разрешением на установке ПФ-3 с помощью созданного с учетом особенностей установки лазерного комплекса, их численная обработка и анализ получен-
ных результатов.
Научная новизна работы обусловлена уникальными параметрами экспериментальной установки ПФ-3, оригинальностью разработанных диагностических методик и полученными с их помощью результатами.
Впервые в мире получены данные о параметрах ТПО и ее структуре для ПФ-установки мегаджоулыюй энергетики с геометрией электродов фнлип-иовского типа. Создан уникальный интерферометр Маха-Цсндера с плечом 4,8 м и апертурой 10 см. Проведены эксперименты по сжатию различных типов мишеней с помощью сходящейся ТПО в сильнонзлучающих газах.
Научная и практическая ценность работы.
-
Впервые для установок ПФ фнлшшовского типа мегаджоулыюй энергетики разработан лазерный диагностический комплекс для определения параметров ТПО разряда (Те от единиц до десятков эВ, пе ~ 1018 см"3), работоспособный в условиях сильнонзлучающих газов (W ~ 20 МВт/см2) и сильных электромагнитных наводок.
-
Проведенные исследования по сжатию мишеней из полимерных нитей, металлических проволочек и пылевых мишеней показали возможность эффективного прогрева и сжатия мишеней в ПФ-разряде. Получены режимы с улучшенным сжатием (по минимальному радиусу и времени жизни) для пылевой мишени.
Результаты работы могут быть использованы для расчета и проектирования будущих установок на базе ПФ' генераторов мощного импульсного рентгеновского излучения, установок для сжатия мишеней гибридного типа (ПФ + быстрый Z-пинч).
Основные положения, выносимые на защиту
-
Лазерный диагностический комплекс для установки ПФ-3 мегаамнерно-го уровня, работающий в условиях сильнонзлучающих газов и сильных электромагнитных наводок.
-
Профили электронной плотности в прианодной области (области установки мишеней) с выявленной структурой ТПО и показанной связью двух максимумов в профиле плотности с формой импульса мягкого рентгеновского излучения (МРИ).
-
Экспериментальные данные о сжатии мишеней различного типа, пылевых, проволочных, многопроволочных — в квазицилиндрнческой части ТПО установки ПФ-3.
-
Эволюция и структура системы «ТПО+мишень» в различных режимах работы и различных по массовым и излучательным характеристикам рабочих газах (Ne, Ar, D2+1%Хе) установки ПФ-3 в диапазоне энергий 500... 650 кДж.
-
Экспериментальное подтверждение изменения фазового состояния мишени в предкумуляционной стадии разряда излучением сжимающейся к оси плазменной оболочки.
-
Зависимость нейтронного выхода при использовании в качестве мишени нити из дейтерированного полиэтилена от кинетической энергии падающей на нить оболочки. Нейтронный выход в экспериментах с нитями из дейтерированного полиэтилена в разряде в аргоне составляет 5 х 106 нейтр /имп
-
Эффект влияния пылевой мишени на динамику пинчевания: наличие пылевой компоненты приводит к сжатию плазменного столба до меньшего радиуса (сопровождающегося существенным вытеканием плазмы из области пинчевания) и увеличению времени жизни сжатого состояния с ~ 100 не до ~ 1 мкс.
Степень обоснованности результатов и выводов диссертации основана на большой базе экспериментальных данных, полученных с помощью комплекса взаимодополняющих диагностических методик. Экспериментальные результаты в основном согласуются с теоретическими оценками и численными расчетами. Часть результатов демонстрирует ранее неисследованные аспекты ПФ разряда
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, представлялись на International Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta, Ukraine) в 2002, 2004, 2006 годах; на Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС в 2003-2006 годах; на International Conference on Research and Applications of Plasmas (PLASMA-2003, Warsaw, Poland, 2003); на 15th International Conference on High-Power Particle Beams (BEAMS-2004, Saint-Petersburg, 2004); на International Conference on Research and Applications of Plasmas (PLASMA-2005, Opole, Poland, 2005); на International Symposium on Plasma Physics and Technology (SPPT-2006, Prague, 2006); на 16th International Conference on High-Power Particle Beams (BEAMS-2006, Oxford, UK, 2006); на Первом и Втором всероссийских семинарах по Z-пинчам (14-15 апреля 2004г. и 19-20 апреля 2006г., РНЦ «Кур-
натовский институт»), а также на семинарах Нейтронно-фнзнческого отдела ФИАН.
Публикации. Материал, на основе которого написана диссертация, опубликован в работах [1-9J.
Личный вклад автора. При решающем участии автора создан комплекс лазерной диагностики для установки ПФ-3, основой которого является интерферометр Маха-Цендера с плечом 4,8 м. Автор принимал активное участие в создании системы синхронизации лазерной диагностики с экспериментальной установкой. Результаты лазерных диагностик получены автором самостоятельно Получены данные интерферометрии и теневой фотографин в приведенном цикле экспериментов, обработаны и проанализированы результаты этих диагностик в сравнении с результатами других диагностик установки ПФ-3, развиваемых коллективом ЛБП ИЯС РНЦ «Курчатовский институт»
Структура представленной работы отражает последовательность экспериментальных исследований Диссертация состоит из введения, обзора последних направлений исследований на установках ПФ типа, 2-х разделов и заключения, содержит 4 таблицы, 54 рисунка и библиографию, включающую 147 наименований. Общий объем диссертации составляет 134 страницы. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, указаны цели работы, научная новизна, научная и практическая ценность, изложены положения, которые выносятся на защиту, оценивается степень обоснованности результатов. Также указаны апробация и публикации по теме диссертации, личный вклад автора, описана структура работы.
В обзоре литературы проведен анализ имеющейся литературы, опубликованной за последние 5-10 лет, по но двум основным темам, касающимся диссертации: исследованию сжатия мишеней в Z-пинчах и ПФ-разрядах и практически применяемым лазерным диагностикам плазменного объекта, подобного представленным в работе Уделено внимание особенностям той или иной схемы мишенных экспериментов, указан задел по ПФ-экспериментам с мишенями Также приведены измеренные с помощью указанных выше диагностик параметры и точность их определения.
В разделе 1 диссертационной работы описаны электротехнические и плазмофизические параметры установки ПФ-3 (РНЦ «Курчатовский институт»), а также основные диагностические методики, развиваемые коллективом установки и используемые в экспериментах, представленных в данной
работе. Указаны роль и место, занимаемое диагностикой, созданной автором данной работы. Основное внимание уделено лазерной интерферометрической и теневой методике измерения профилей электронной плотности и градиентов плотности, а также визуализации ударных волн с помощью диагностики, разработанной и построенной автором с учетом условий эксперимента на данной установке. Проанализированы факторы, налагающие дополнительные требования к реализации диагностик (мегаджоульная энергетика, ме-гаамперные токи, сильноизлучающий рабочий газ, большие геометрические размеры и т.п.). Приведены конструкции интерферометра, оптической регистрирующей части диагностики, системы синхронизации. Указаны принципы обработки получаемых данных. Оценена точность измерения найденных параметров.
В 1.1 приведены параметры установки ПФ-3. Разрядная камера ПФ — диод с плоской геометрией электродов филипповского типа, реализующий нецилиндрическую кумуляцию токово-плазменной оболочки на оси системы с образованием плазменного фокуса. Диаметр анода и разрядной камеры равны 1 и 2,5 м соответственно. Высота изолятора 260 мм, а диаметр 980 мм.
Емкостной накопитель (С = 9,2 10~3 Ф) собран по модульной схеме (368 секций по два конденсатора в каждой), максимальное напряжение — 25 кВ, полная номинальная энергия — 2,8 МДж. При существующей геометрии разрядной камеры, определяемой размером изолятора, установка работает в режимах, оптимизированных на получение высокой степени сжатия плазмы ПФ при напряжении 8-14 кВ, токе 2-4 МА, давлении неона 1-4 Торр. Характерное время нарастания тока до максимального значения и 10-20 мкс. Для согласования динамики токово-плазменной оболочки с электрическими характеристиками конденсаторной батареи между высоковольтными подводами тока и анодом вводится дополнительная согласующая индуктивность.
Кольцевой вакуумный разрядник (12 м в диаметре) реализует одновременное включение 368 секций накопителя на нагрузку за счет системы триг-герного инициирования и конструкции внутренних электродов разрядника. Разрядник осуществляет, с одной стороны, симметричный подвод тока в разрядную камеру, с другой — обеспечивает аварийный токосброс энергии накопителя на нагрузку при аварийном пробое внутри единичного конденсатора.
Система добавочных внешних индуктивностей, регулирующих начальную производную тока, включена последовательно с камерой. Минимальная индуктивность разрядного контура — 15 нГн, добавочная — от 0 до 25 нГн.
Для измерения тока в камере используется пояс Роговского, для измерения производной тока — магнитный зонд, для измерения выхода МРИ — РППД (pin-диод открытого типа).
В 1.2 обоснован выбор схемы интерферометра Маха-Цендера (его настройка и методы обработки интерферограмм), как наиболее полно удовлетворяющего требованиям, которые определяются особенностями исследуемой плазмы, поскольку акцент будет сделан на область ТПО до взаимодействия с мишенью, а не на сильно неоднородную плазму материала мишени.
В 1.3.1-1.3.5 описан лазерный диагностический комплекс, в состав которого входят каналы теневой фотографии и высокоскоростной однопроходной интерферометрии, разработанный с учетом специфики установки (сильные электромагнитные наводки, сильноизлучающие газы: неон, аргон и тд.). Основными составляющими элементами диагностического комплекса являются:
наносекундный Nd3+:YAP лазер на второй гармонике,
интерферометр Маха-Цендера,
система оптической синхронизации,
система фильтрации зондирующего излучения;
система регистрации изображений.
В качестве источника зондирующего излучения использовался двухкас-кадный ИАП-лазер (генератор с электрооптическим модулятором, двухпро-ходный усилитель, преобразователь частоты во вторую гармонику (А = 0,53 мкм) на КДП-кристалле), с излучением на выходе, близким к конфигурации моды типа ТЕМоод- Длительность генерируемого импульса составляет 3,5-4,0 не при энергии во второй гармонике 60 мДж.
Однопроходный интерферометр Маха-Цендера состоит из четырех зеркал диаметром 160 мм и толщиной 25 мм. Зеркала изготовлены из ситалла СО-115М, имеющего малый термический коэффициент расширения и высокую оптическую однородность. Шероховатость не более А/10. Коэффициенты отражения зеркал на длине волны 0,53 мкм под углом 45 составляют 100% (2 зеркала) и 50% (2 зеркала). Многослойные диэлектрические 50%-ные зеркала имеют просветленную поверхность на обратной стороне зеркала. Зеркала закреплены в специально разработанных оправах, обладающих высокой устойчивостью к вибрациям и температурным колебаниям и имеющих высокоточные регулировочные винты для настройки. Оправы зеркал установлены на виброизолированных металлических опорах (отделенных от фундамента
камеры установки). Размер образуемой ими рамы 4000 х 2000 мм (с вертикальным расположением прямоугольника центров зеркал), при этом длина плеча интерферометра составляет « 4,8 м. На этой же раме установлена система регистрации интерферограмм и тенеграмм.
Важным моментом в этой диагностике является синхронность срабатывания ПФ и лазера, поскольку интересующая фаза разряда имеет длительность ~ 200-300 не на фоне общей длительности разряда 10-15 мкс, имеющей собственный временной разброс до 1 мкс. Было опробовано несколько способов синхронизации, от начала разряда но производной тока и несколько вариантов оптической синхронизации на основе регистрации видимого свечения токовой оболочки. В первом случае нестабильность синхронизации фазы сжатия плазмы с моментом зондирования достигает 600 не, в случае же регистрации светового импульса в момент прохождения токовой оболочки светочувствительного датчика 6 (рис. 1) отклонение синхронизации оказалось менее 100 не.
АПуск
Рис. 1 Схема диагностического комплекса 1 -Nd3+:YAP; 2 - коллиматор, 3 - задержка 240 мкс,
4 - гюджнг ПФ-3; 5 - коллиматор световода; 6 -
ФЭУ-30; 7 - формирователь импульса с задержкой
0,3 6,0 мкс, 8 - РППД11, 9 - ФЭК; 10 - теневой
канал; 11 - ингерферометрнческнй канал
Кроме того, изготовлен двухканальный генератор-формирователь запускающих импульсов на модулятор лазера с улучшенной помехоустойчивостью и произвольным порогом запуска и задержкой в микросекундном диапазоне с шагом 20 не на базе ламп со вторичной эмиссией и импульсных тиратронов.
Для выделения зондирующего пучка на фоне самосвечения плазменного образования создана система фильтрации на основе диафрагм, узкополосного интерференционного фильтра 0 20 мм (Л = 0,53 мкм, ширина пропускания на полувысоте 45 А) с подавлением побочной интерференции и фильтров из оптического стекла (СЗС22+ОС11+НС9+НС9).
Опробованы различные системы регистрации тенеграмм и интерферограмм. на фотопленку с помощью пленочного фотоаппарата, на цифровой фотоаппарат, с помощью развертки на скоростном фоторегистраторе (СФР) Наиболее успешным оказался последний способ, позволяющий нринцшшаль-
но избавиться от интенсивной засветки, возникающей спустя несколько микросекунд (почернение смещено на 0,7-1,2 см по пленке) после фазы максимального сжатия її продолжающейся десятки микросекунд (свечение поднимающихся над анодом паров меди, созданных за счет взаимодействия горячей плазмы и электронного пучка с поверхностью металла). Прошедший сквозь интерферометр и объектив (F = 300 мм, относительное отверстие 1:4,5) пучок заводился в СФР с помощью оптоволоконного жгута диаметром 12 мм (диаметр волокна ~ 10 мкм), передающего изображение Режим работы СФР обеспечивал развертку изображения со скоростью « 2 мм/мкс. Для зондирующего пучка длительностью 4 не смещение составляет 8 мкм, т.е. меньше размера одного волокна световода, определяющего разрешающую способность системы регистрации Таким образом, интерферограмма размером 8 мм фиксируется на пленке, а засветка спустя 4 мке смещается за пределы полученного изображения.
В 1.3.6 рассмотрены требования к юстировке интерферометра и регистрирующей оптики, их влияние на контраст интерференционной картины и точность ее интерпретации. Хотя требования к локализации полос интерференции и фокусировке регистрирующей оптики, как показано в работе, довольно мягкие, юстировка диагностики обеспечивала пересечение соответствующих лучей (локализацию полос) на оси камеры ПФ и околонулевую отстройку Лф ~ 0 объектной плоскости от той же оси. Такая настройка не является лишней, поскольку пространственная когерентность излучения, требования к которой существенно понижаются в случае локализации полос на оси, может ухудшаться в случае возмущений волнового фронта на оптических окнах камеры ПФ, подвергающихся воздействию продуктов разлета плазмы Кроме того, особенности токово-нлазменной оболочки ПФ разряда таковы, что помимо плазмы в интересующей нриосевой области пучок дважды проходит периферийные части ТПО, в которых возможны изменения волнового фронта. Из-за больших размеров установки ПФ-3, первый проход происходит на расстоянии от оси порядка радиуса анода га « 50 см, тогда как интересующая область находится в пределах 1-2 см от оси, поэтому возмущающий волновой фронт объект является также и сильно отстроенным от объектной плоскости.
В 1.4 приводится использованный в работе метод восстановления профиля плотности на основе приближенного решения интегрального уравнения Абеля в неразрешенной форме с аппроксимацией искомой функции.
Показана пригодность расчетного метода, примененного в данной работе и основанного на кусочной аппроксимации искомого профиля показателя преломления на сетке с переменным шагом. Способ расчета является модификацией хорошо известного метода Шардина и отличается от него разбиением исследуемой неоднородности в данном сечении z — zt на JV кольцевых зон с переменной шириной (меньшей — в области с резким изменением пе: ударные волны, скинслой), в каждой из которых искомая функция принимается постоянной. В этом случае интегралы в уравнениях Абеля разбиваются соответственно на сумму интегралов, которые легко превращаются в треугольную систему алгебраических уравнений с численными коэффициентами. Определение искомой функции здесь может быть произведено лишь последовательно начиная с внешней зоны, причем определение искомого параметра в каждой последующей зоне требует подстановки в соответствующее уравнение найденных значений искомой величины во всех предыдущих зонах. Для исследования всего поля решение проводится в целом ряде намеченных сечений z = 2,. Приведены оценки ошибки расчетного метода и показано, что переход к произвольному шагу разбиения, адаптирующемуся к кривизне экспериментальной функции, позволяет существенно сократить число зон N (и, соответственно, число слагаемых ~ N2 в N уравнениях) для заданной расчетной точности.
Для вычисления конечной ошибки в искомом профиле плотности задается ошибка Л5/5 отсчета сдвига полосы. В качестве сдвига полосы в программу на основе описанного алгоритма поочередно подставляются значения 5 ±Л5, получаемая полуразность значения плотности определяет ошибку <х(пе). Результат расчета в программе представляется в виде графика пе(г) с указанием ошибки
В 1.5 приведено принятое в работе условное разделение физических процессов в ПФ-разряде на несколько основных фаз, которые используются при описании приведенных экспериментов и результатов, начиная с момента подачи импульса высокого напряжения и заканчивая фазой разлета пинча Такое же условное деление структуры токово-плазменной оболочки на четыре зоны: скинслой, зону компрессии и вытекания плазмы, ударную волну и предвестник (волна ионизации) описано в 1.6.
В 1.7-1.8 даны обоснования расчета электронной плотности на основе восстанавливаемого профиля показателя преломления плазменного объекта, рассмотрены особенности применяемых газов (Ne, Ar, D2+l%Xe), оценены
скорости релаксационных процессов в плазме ТПО и связанные с ними толщины переходных слоев Показано, что наблюдаемая толщина ТПО существенно больше (на два порядка) ширины релаксационной зоны, и вкладом области выравнивания температур в оптические свойства плазмы можно пренебречь.
Первая часть Раздела 2 посвящена исследованию динамики и структуры ТПО. приведены экспериментальные результаты и численные расчеты измерений.
В 2.1 представлены параметры токово-плазмешюй оболочки установки ПФ-3. Такие параметры токово-плазменной оболочки, как скорость, толщина и высота над поверхностью анода — определяются с помощью теневой диагностики (2.1.1). Серия тенеграмм, полученных в различных разрядах, при W = 140 кДж, иПФ - 5,5 кВ, P(Ne) = 1 Торр, / и 1,5 МА (режим разряда, характеризующийся максимальной воспроизводимостью, рис. 2) позволяет определить радиальную и аксиальную компоненты скорости ТПО но положению тени, соответствующей скинслою (фокальная диафрагма достаточно большого диаметра). Результаты интерферометрии также говорят о том, что для скинслоя характерен больший градиент в профиле плотности (рис Зви г). Теневые снимки на рнс. 2 5, в и г позволяют оценить радиальное ускоренное движение ТПО с увеличивающейся скоростью от (8,6 ±0,5) х 106 см/с до (1,3 ± 0,1) х 107 см/с на высоте ~ 1 см над анодом (в области сильной нецилиндричности плазменной оболочки), тогда как в самой прнанодиой области (h < 0,5 см), там, где ТПО перпендикулярна горизонтальной части поверхности анода, скорость выходит на константу (для данных параметров разряда) и в приведенном примере становится равной (9,4 ± 0,2) х 10ь см/с
На рис. 2 д через ~ 20 не после момента кумуляции видно развитие неустойчивостей типа перетяжек с длиной волны ~ 0,5 см при общей длине перетяжки ~ 2 см. При этом диаметр пинча в 1-м сжатии яз 0,7 см, во 2-м к 0,25 см.
По приведенным тенеграммам видно, что для данных режимов сжатия характерна «низкая», скользящая в приосевой зоне вдоль горизонтальной части анода оболочка с высотой над анодом ~ 3 см Приосевая часть ТПО на уровне горизонтальной части анода практически перпендикулярна удаленной части оболочки.
Типичные интерферограммы плазмофокусного разряда в разные моменты времени из 2.1.2 представлены на рис. 3 а и б (W = 375 кДж, Спф = 9 кВ,
(a) t= -285 не (б) t= -200 не (в) t= -60 НС (г) t= 0 НС
(д) t* +20 не (е) t= +30 не (ж) t= +80 не (з) t= +400 не
Рис. 2. Теневая съемка эволюции ТПО (IV = 140 кДж, U = 5,5 кВ, P(Ne) = 1 Торр), полученная в различных разрядах в разные моменты времени.
P(Ne) = 1 Торр). На них отчетливо видны интерференционные полосы, созданные прошедшим сквозь токово-плазменпую оболочку зондирующим пучком. Они позволяют получить радиальные профили электронной плотности с разрешением структуры самой ТПО (рис. Зви г).
Сопоставление профилей для разных высот позволяет проследить явления, связанные с нецилиндричноетыо ТПО. Например, эффект вытекания вовлеченного is движение газа из слоя «скиислой - фронт ударной волны» за счет градиента пТ — d(nT)/dZ в сторону широкой части воронки.
Расчет линейной плотности Ne = 2тт fg ne(r) dr, выполненный интегрированием радиальных распределений плотности, показывает факт падения линейной электронной плотности в прианодноіі части ТПО во время ппн-чеванмя ТПО па оси. Линейная плотность, составляющая ~ 4 х Ш18 см-1 во время стадии имплозии (радиального движения, г = —20 не), падает до ~ 1,2 х К)18 см"1 на стадии линчевания (г = 0 не). Плазма в этой стадии имеет более высокую температуру, так что средняя степень ионизации становится выше и линейная электронная плотность должна быть максимальной. Уменьшение Ne говорит о вытекании частиц из шшчевой области. Кроме того, в момент иппчевания наблюдается также небольшое (~ 20%) падение линейной плотности и в осевом направлении по мере удаления от анода. Но во
t=0HC
t= -20 не
R, см
R, см
——0,5 см -»-0,75 см 1,0 см от анода
4,0x10
4,0x10
2,0x1018
2,0x10
R, см
— 0,5 см »- 0,625 см * 0,75 см от анода
Лазерный импульс с ФЭК
Импульс МРИ
t, мкс
Лазерный импульс с ФЭК
Импульс МРИ
.А-
t, МКС
14,40 14,50 14,60 е
Рис. 3. Интерферограммы (W = 375 кДж, /цф = 9 кВ, P(Ne) = 1 Торр): а - т = -20 не; б - т = 0 не; в, г - соответствующие а, б профили электронной плотности на разных расстояниях от анода; д, е - соответствующие а, б импульсы МРИ и зондирующего
излучения.
время, предшествующее стадии схождения ТПО на оси, линейная плотность растет по мере увеличения расстояния от анода. Здесь может сказываться толщина ТПО, также увеличивающаяся с анодным расстоянием.
Для типичных разрядов устойчиво наблюдаются два максимума в профиле электронной плотности (как на рис. 3). Таким образом, ударная волна и магнитный поршень отчетливо разделены расстоянием « 0,5-1 см. Импульс МРИ также имеет двойную структуру (рис. З д и е). Исходя из скорости ТПО вблизи оси в несколько единиц на 107 см/с, временной сдвиг в приходе различных максимумов плотности на ось составляет ~ 20-30 не, что по порядку величины совпадает со сдвигом по времени между пиками MP.
Во второй части раздела 2 описаны различные варианты мишеней, применяемых в экспериментах. Представлены конструкции подающих мишенных узлов, указаны их преимущества по сравнению с применяемыми в подобных экспериментах, например на ПФ-1000 (ИФПиЛМ, Варшава, Польша).
В этом же разделе представлены результаты экспериментов с мишенями: нитями из дейтерированного полиэтилена, пылевой и проволочной мишенями. Экспериментально показано, что излучение плазмы способно изменять фазовое состояние полиэтиленовых нитей задолго до непосредственного взаимодействия плазмы с поверхностью нити. Исследовано взаимодействие плазмы ТПО с нитевыми мишенями и показано достижение высоких параметров плазмы материала мишени — зарегистрирован импульс нейтронов. В случае пылевых мишеней также показано эффективное взаимодействие излучения пинча с пылевыми частицами. Данные факты подтверждаются приведенными тепловыми расчетами с учетом линейчатого и сплошного спектра излучения токово-плазменной оболочки для разных газов и веществ мишени (на основе излучательных характеристик плазменной оболочки, приведенных в [8, 9]). Найден режим улучшенного сжатия в разряде на неоне в присутствии пылевой мишени на оси. Появление источников плазмообразования в приосе-вом объеме оказывает стабилизирующее влияние, обеспечивающее дожатие пинча и удержание минимального радиуса существенно большее время, чем в отсутствие мишени.
В 2.2.1 приведена схема эксперимента с лайнерными и пылевыми нагрузками на установке ПФ-3. Для обеспечения подачи легких (0,3-4,0 мг/см) ни-тевых и многопроволочных мишеней на установке ПФ-3 применяется специальное подающее устройство шлюзового типа. При этом геометрические особенности установки позволили использовать устройство типа «отвес», разме-
щаемое со стороны катода разрядной системы установки ПФ-3 с вертикальной осью симметрии (в отличие от установки ПФ-1000). Мишени подвешиваются на тонкой нити и с помощью подвижного штока, расположенного в шлюзовой цилиндрической колонке, после предварительного обезгаживания опускаются в нужное положение на оси системы. Примеси материала нити, испаряющейся в разряде вместе с мишенью, составляют ~ 10~5% от количества рабочего газа в разрядной камере и ~ 10~2% от массы мишени, что не требует частой смены газа в длительных экспериментах При этом обеспечиваются возможность изменения положения мишени вдоль оси системы и требуемая точность установки.
Пылевая мишень представляет собой облако мелкодисперсных частиц твердого вещества с контролируемыми поперечными размерами и погонной массой. Пылевая мишень формируется на оси системы в виде свободно падающего потока мелкодисперсного (2-10 мкм) порошка AI2O3. Резервуар после заправки герметизируется, откачивается, а затем подсоединяется к разрядному объему, заполненному рабочим газом (Ne, Р ~ нескольких единиц Торр). Оксид алюминия указанной дисперсности характеризуется достаточно низким сопротивлением сдвиговой деформации и равномерно истекает под действием силы тяжести через узкую щель, открывающуюся при подъеме якоря электромагнита. Электромагнит включается за 2-3 с до начала разряда, после чего выключается с помощью программного устройства. Дополнительному псевдоожижению порошка и разрушению его возможной агломерации в резервуаре и при выходе из него способствует вибрация якоря электромагнита с разомкнутой магнитной цепью с удвоенной частотой тока в электросети. С помощью этого подающего устройства удается формировать пылевые мишени, близкие к применяемым в аналогичных экспериментах пенным и многопроволочным лайнерам по таким важным параметрам, как например эффективный диаметр и погонная масса. В то же время обращает на себя внимание низкая массовая плотность пылевой мишени (~ 10 мкг/см-3), близкая по величине к массовой плотности неоновой плазменной оболочки. Это может привести к увеличению эффективности увлечения частиц пылевой мишени налетающей плазмой.
При переходе экспериментальных исследований от разрядов с пылевыми нагрузками к лайнерным необходима лишь замена резервуара с мелкодисперсным рабочим веществом на навеску с подвижным штоком на верхнем конце шлюзовой колонки при закрытом вакуумном затворе. Подающее
устройство снабжено поворотной заслонкой, предотвращающей плазменное воздействие на закрытый затвор в разрядах без каких-либо нагрузок.
В 2.2.2 приведены основные результаты предварительных экспериментов по сжатию пенных и многопроволочных лайнеров на ПФ-3, послуживших основой экспериментам в данной работе. Указана возможность предварительного прогрева мишени, расположенной на оси, и ускорения перехода первоначально конденсированного вещества в плазменное состояние из-за наличия длительной (~ 10 мкс) подготовительной стадии воздействия излучения ТПО на лайнер до момента непосредственного взаимодействия. Оценены из-лучательные характеристики неоновой плазмы сходящейся к оси оболочки в приближении черного тела
В 2.2.3 приведены основные экспериментальные условия, в 2.2.4 — дополнительные диагностические методики, используемые в мишенных экспериментах и включающие регистрацию импульсов мягкого и жесткого рентгеновских излучений с временным разрешением с помощью полупроводниковых детекторов типа СППД и РППД, 4-кадровое ЭОП-фотографирование, СФР-графирование, рентгеновское обскурографирование и нейтроннную ак-тивационную диагностику.
В 2.2.5 приведены эксперименты с пылевой нагрузкой — мелкодисперсной пылыо AI2O3 с диаметром частиц 2-6 мкм Описан способ, с помощью которого удается получать пылевую мишень с эффективным диаметром ~ 20 мм, погонной массой ~ Ю-3 г/см (близкой по величине к соответствующему параметру лайнерных мишеней). Это может привести к увеличению эффективности взаимодействия частиц пылевой мишени с налетающей плазмой, что показано на примере нескольких тенеграмм, Так, в разряде с мишенью (W = 560 кДж, UPF = 11 кВ, P(Nc) = 2 Торра, 2-6 мкм пыль AI2O3, t = +200 не) внутри пылевого столба диаметром а = 8 мм наблюдается отчетливое взаимодействие: характерные размеры видимых неодно-родностей, соответствующих отдельным пылевым частицам, имеют размер ~ Ь = 1000 мкм, что хорошо разрешается тенеграммой Если предположить, что из одной частицы со средним диаметром 5 мкм образуется 1000-мкм теневой объект, то при твердотельной плотности исходной частицы получается объект плотностью ~ 1014 — 1015 см"3
Наиболее ярким примером влияния пылевой добавки на устойчивость сжатия ТПО, проявляющимся в существенно разной динамике пинча в случаях с пылевой нагрузкой и без нее, могут служить теневые снимки (рис. 4 а
и б, параметры разряда в подписи к рисунку), полученные приблизительно в одно и то же время относительно импульса мягкого рентгеновского излучения. Наличие сильных неоднородностей может быть связано с неоптимальным по давлению режимом (меньше оптимального). Эффект влияния пыли на рис. 4 б привел к дожатию плазменного столба с начального диаметра d ~ 10 мм до значительно меньшего (d ~ 2-3 мм) при существенных потерях плазмы (отчетливо виден керн из плотной плазмы), тогда как на рис. 4 а виден лишь разлет оболочки d > 12 мм без заметной плотности в центре. При этом сжатое состояние наблюдается в течение длительного, до 1 мкс, времени.
В 2.2.6 представлены эксперименты с нитевой и проволочной нагрузками. В качестве нагрузок используются проволочки из алюминия диаметром 120 мкм и нити из (С02)„-полимера (дейтерированного полиэтилена) диаметром 100-200 мкм, длиной 40-65 мм. Нить закрепляется между двумя оргстек-лянными ограничителями и на тонкой (50 мкм) медной проволоке-подвесе через подающую систему с вакуумным шлюзом опускается вдоль оси в зону сжатия ТПО в центре анода, имеющего коническую форму. Перед опусканием нагрузки в рабочее положение она обезгаживалась в подающем устройстве, а установка выводилась в рабочий режим тренировочными импульсами с регистрацией фонового нейтронного излучения.
Мишень размещалась так, что приблизительно половина длины нити находилась в коническом углублении, а вторая — над плоскостью анода, в поле зрения диагностик (учитывалась часть пинча, в большой степени ответственная за генерацию нейтронного излучения). Положение нити могло различаться в разных разрядах и контролировалось с помощью лазерной диагностики (теневые снимки) перед каждым импульсом (рис. 4 в, д). В нижней части мишени (ниже нити) имеется специальное центрирующее устройство, позволяющее устанавливать нить строго по оси камеры.
На примере нескольких рабочих снимков представлено качественное рассмотрение происходящих процессов. На рис. 4 г показан разряд при (Упф = 12 кВ, заполнении чистым неоном до давления 4 Торра, t = —100 не до переднего фронта МРИ. Утолщение нити происходит задолго до непосредственного прихода ТПО на ось. В аргоне при давлении 3 Торра, t/гіФ = 12 кВ, t = —70 не (рис. 4 е) также наблюдается утолщение нити, хотя и в меньшей степени.
Выявлено существенное различие в динамике испарения проволочной ми-
ж з
Рис. 4. Теневая съемка: а - разряд в чистом неоне с W = 560 кДж, t = +180 не; б -
разряд в неоне с пылевой нагрузкой 2-6 мкм AI2O3, W = 560 кДж, P(Ne) = 3 Торра,
t = +1С0 не; в - CBj-НИТЬ в неоне до разряда; г - CD2-HHTb до прихода токовой оболочки
в разряде с W — 670 кДж, P(Ne) = 4 Торра, t = —100 не; д - СБг-нить в аргоне до
разряда; е СОз-яшь до прихода токовой оболочки в разряде с W = 670 кДж,
Р(Ат) = 3 Торра, t = —70 не; ж - АЬпроволочная мишень 0120 мкм в дейтерии с
добавкой 1% ксенона до разряда; з - AL-проволочная мишень до прихода токовой
оболочки в разряде с W — 670 кДж, P(D2 + 1%Хе) — 3 Торра, t = —200 не.
тени в случае А1 проволоки и мишени из (CD2)r( -полимерной нити сопоставимых размеров в дейтерии с добавкой 1% ксенона. Так, за 130 не до прихода ТПО на ось видимый диаметр (CD2)n-Hirni увеличивается в несколько раз, тогда как по рис. 4 а и б для алюминиевой проволоки в момент времени —200 не увеличение диаметра не превышает 2-кратного. Аналогично ведут себя подвесы из меди толщиной 50 мкм в сравнении с (CD2)n-iniTbio. В моменты времени от —200 не до —100 не (СОг^-нить, испаряясь, существенно утолщается, тогда как подвес выше верхнего стеклянного ограничителя, подвергающийся воздействию ТПО в не меньшей степени, остается практически неизменным. Из-за легкоплавкости полиэтиленовой нити даже излучения дейтериевой плазмы достаточно для заметного изменения фазового состояния вещества нити излучением сходящейся оболочки. В целом, действие неоновой ТПО на (СВ2)те-полимерную нить более сильное, чем действие ТПО в аргоне. Действие ТПО в дейтерии с добавкой 1% ксенона близко к неоновой, но, по-видимому, немного слабее
——Неон —»— Аргон
——Дейтерий с добавкой 1% ксенона
60 50 40 30 "20 10
15 Т. эВ
Рис 5 Зависимость радиуса испаряемых
АЬОз-пылинок г„ от температуры
налетающей оболочки в неоне, аргоне,
дейтерии с добавкой 1% ксенона
Оценка влияния массы ионов падающей на нить плазмы проводилась по величине нейтронного выхода. Для разрядов в неоне можно предполагать нейтронный выход на уровне фоновой чувствительности используемого счетчика (~ (1,5-2) х 106 нейтр./нмп.) в единичных случаях. В то же время в разрядах в аргоне в ~ 30% случаев зарегистрировано нейтронное излучение на уровне 5 х 106±50% нейтр./имп. Таким образом, можно утверждать, что
величина нейтронного выхода при использовании в качестве мишени нити из дейтерированного полиэтилена зависит от кинетической энергии падающей на нить оболочки. Этот вывод хорошо согласуется с результатами экспериментов на установках С-300 и ПФ-1000. Разброс величины нейтронного излучения в серии, по-видимому, зависит от симметрии схождения оболочки на нить: обеспечить абсолютную симметрию при схождении оболочки с метрового диаметра на микронную нить крайне сложно. В то же время наличие нитей или проволочек в разряде в случае работы на D2 + 0,8% Хе не влияет (в пределах экспериментального разброса) на величину нейтронного выхода
со средним значением 1,0 х 1010 ± 40% нейтр./имп.
В 2.4 приведены количественные оценки возможности испарения различных материалов под воздействием излучения сходящейся оболочки ПФ вблизи оси. На основе излучательных характеристик ТПО в различных газах (D2+l%Xe, Ne, Аг) с учетом линейчатых потерь, тормозного, рекомбинаци-онного излучения и тепловых свойств используемых материалов построены зависимости радиуса полностью испаряемой частицы материала от температуры в сходящейся на ось ТПО в заданном газе. Например, для радиуса испаряемых АЬОз-пылинок зависимость от температуры налетающей оболочки в разных газах имеет вид, показанный на рис. 5.
