Содержание к диссертации
Введение
Глава I Транспортировка и концентрация энергии в мощных импульсных ускорителях
1.1 Обзор работ по исследованию Z-шшчей и сжатию многопроволочных лайнеров 13
1.2 Вакуумные передающие линии с магнитной самоизоляцией 19
1.3 Вакуумный трехмерный концентратор энергии на основе магнитной самоизоляции 25
Глава 2 Экспериментальная установка и средства диагностики
2.1 Установка С-300 33
2.2 Мишенный узел 37
2.3 Лайнерные нагрузки 38
2.4 Средства диагностики на установке С-300 41
Глава 3 Динамика энергетического спектра мягкого рентгеновского излучения плазмы при имплозии многопроволочных лайнеров 55
3.1 Динамика спектра мягкого рентгеновского излучения одиночных многопроволочных лайнеров 56
3.2 Динамика спектра мягкого рентгеновского излучения двойных многопроволочных лайнеров 77
Глава 4 Исследование потерь энергии в вакуумном концентраторе энергии
4.1 Потери энергии за счет утечки электронов в линиях с магнитной самоизоляцией вакуумного концентратора энергии 82
4.2 Исследование утечки тока в вакуумном концентраторе энергии по выходу тормозного излучения 86
4,2.1 Методика измерения электронных токов утечки в концентраторе энергии 87
4.2.2 Экспериментальные результаты по исследованию утечки тока в вакуумном концентраторе энергии при различных нагрузок , 93
4.2.3 Обсуждение экспериментальных результатов 98
4.3 Измерение утечки тока в мишенном узле 101
4.4 Выводы 103
Заключение 105
Список литературы 108
- Вакуумные передающие линии с магнитной самоизоляцией
- Лайнерные нагрузки
- Динамика спектра мягкого рентгеновского излучения двойных многопроволочных лайнеров
- Исследование утечки тока в вакуумном концентраторе энергии по выходу тормозного излучения
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена изучению временной зависимости спектра мягкого рентгеновского излучения при имплозии многопроволочных сборок-лайнеров из различных материалов под действием магнитного поля тока, протекающего через лайнер, на установке "С-300" в РНЇД "Курчатовский институт". Так как для понимания физики сжатия лайнеров и быстрых Z-пинчей со временами развития процесса менее 10"7 с и определения радиационных потерь необходима информация о динамике спектра излучения плазмы в процессе имплозии лайнера. Также в работе исследуется эффективность транспортировки электромагнитной энергии в трёхмерном вакуумном концентраторе энергии установки "С-300", выполненном на основе линий с магнитной самоизоляцией.
Уже более 50 лет ведутся интенсивные работы в области управляемого термоядерного синтеза (УТС) [I]. В 1950 г. новая идея для удержания и термоизоляции плазмы с помощью магнитного поля была предложена И.Е. Таммом и А.Д. Сахаровым в Советском Союзе. В 1961 г. впервые идея использования мощного лазерного излучения для нагрева плотной плазмы до термоядерных температур была высказана в докладе Н.Г. Басова на заседании президиума АН СССР и опубликована в работе [2]. И до сих пор эта идея активно изучается в рамках программы инерционного термоядерного синтеза. В последнее двадцатилетие интенсивно развивались методы получения концентрированных потоков энергии, в частности техника формирования мощных электрических импульсов для получения сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП) и пучков легких ионов [3]. И это позволяет реализовать идею использования мощных электронных пучков для нагрева и инициирования термоядерного микровзрыва мишени, содержащей
плотную смесь дейтерия и трития до термоядерных температур. На это было указано Е.К. Завойским в СССР [4] и независимо от него Ф. Винтербергом в США [5]. Из анализа условий инициирования термоядерной реакции в D-T мишени следовало, что она осуществима для пучка релятивистских электронов с энергией 1-Ю МэВ, током 10-100 МА и сфокусированным до размера 0,2-0,5 мм. Высокая интенсивность преобразования энергии, запасенной в импульсных генераторах напряжения, в энергию релятивистских электронных пучков определило интерес, проявленный к УТС на основе РЭП. Осуществление этой проблемы потребовало решения задач создания генераторов РЭП
высокой мощности 1014 Вт и с полным запасом энергии > 10 МДж,
транспортировки и концентрации энергии на поверхности мишени.
В 1979 г. С.Г. Алиханов, Л.И. Рудаков, И.Р. Ямпольский и В.П. Смирнов предложили для концентрации энергии на конечном этапе транспортировки энергии к мишени использовать лайнер, ускоренный давлением магнитного поля [6]. Кинетическая энергия лайнера,
разогнанного до скоростей выше 10 см/с, может быть непосредственно
использована для сжатия и нагрева плазмы или Д-Т смеси. Использование техники генераторов РЭП позволяет значительно снизить энергию, необходимую для достижения условий зажигания, до величины порядка несколько мегаджоулей при длительности нарастания тока 10*7 с. Коэффициент преобразования энергии генератора в нагрузку (лайнер) в этом случае может достигать 40-70%. Реализация этого предложения требует решения задач пространственной концентрации энергии и
сокращения длительности импульса до величины < 10 не. При этом существует принципиальная возможность использования кинетической энергии лайнера для обжатия мишени за время т - Д / v « 2-5 не (где Д -толщина лайнера, v- его скорость).
Другим подходом применения лайнера является конверсия его энергии в поток теплового излучения, близкого к равновесному, с последующим преобразованием его в мягкое излучение, которое может быть использовано для облучения мишени. Впервые эта идея была высказана Л.И. Рудаковым применительно к экспериментам с использованием генераторов РЭП [7]. В работе [8], предложенная В.П. Смирновым схема двухоболочечного лайнера, в которой ускоренная внешняя оболочка, соударяясь с внутренней, передает ей энергию, а внутренняя ее переизлучает на мишень, расположенную на оси. При соответствующем выборе материалов первой и второй оболочек, первая играет роль экрана: она удерживает на некоторое время излучение во внутренней полости и обеспечивает в результате абляцию внутренней оболочки мишени. В экспериментах на установке "Ангара-5-l" в ТРИНИТИ (Россия) в 1989-1992 гг. была получена энергия импульса мягкого рентгеновского излучения 40 кДж за время 5 не, что позволило не только проводить эксперименты по инерционному удержанию, но и исследовать теплофизические свойства веществ при экстремальных плотностях энергии. Впервые последняя возможность была высказана академиком В.Е. Фортовым, предложившим провести эксперименты по возбуждению ударных волн в твердом теле.
Успех с лайнерами на установке "Ангара-5" убедил ученых в перспективности этого подхода. По этому направлению достигнуты заметные успехи на более мощной установке "PBFA-И" (установке "Z"). В 1997 году на установке "Z" в лаборатории Sandia, с током 20 МА и временем нарастания 105 не, проводились эксперименты по обжатию многопроволочных лайнеров длиной 2 см и диаметром 4 см, выполненных из 240 вольфрамовых проволочек 07,5 мкм каждая. При этом в эксперименте без центральной мишени в момент сжатия лайнера к оси генерировался импульс рентгеновского излучения с полной энергией 2 МДж и с пиковой мощностью 200 ТВт, длительность которого на
полувысоте составлялась 5,5 не [9]. Эти успехи стимулировали вновь интерес к исследованиям проблемы У ТС на таких установках Z-пинчевого типа.
Систематические исследования по имплозии многопроволочных лайнеров в течение последнего десятилетия проводится на установке "Ангара-511 в Тринити [10,11,12,13,14]. В работе[10,11] исследована динамика многопроволочных лайнеров, и предложена концепция затянутого плазмообразования. Согласно этой концепции, имплозия многопроволочных сборок происходит следующим образом. Сразу же после начала тока через многопроволочную сборку на поверхности тонких проволочек диаметром несколько микрон образуется плазма, и ток разряда переключается с проволочек на эту низкоплотную плазму (корону). Керны проволочек остаются в начальном положении в течение значительной части разряда и являются неподвижными источниками плазмы. Плазма короны, где протекает основная часть тока, под действием силы Ампера сносится к оси сборки. В работах экспериментально и теоретически анализировался устойчивость многопроволочных лайнеров. Основными факторами, обеспечивающими устойчивость, являются: а) гетерогенность конфигурации плазмы, состоящей из двух фаз, горячей, по которой протекает основной ток, и относительно холодной, являющей непосредственным продуктом взрыва проволочек; б) затянуто сть вследствие этого процесса плазмообразования. Из-за непрерывного сноса токонесущей плазмы к оси установки в процессе затянутого плазмообразования возникает плазменная оболочка с толщиной, заметно большей толщины скин-слоя, но сплошь пронизанная током и магнитным полем. Она может быть и не сплошной (в азимутальном направлении) на начальных этапах сжатия. Ускорение такой оболочки к оси системы обеспечивается не действием магнитного поршня на внешнюю границу лайнера, а объемной силой Ампера j *В/с, действующей почти равномерно по всей толщине оболочки. Такая конструкция плазменного лайнера
существенно меньше подвержена неустойчивости Релея-Тейлора по сравнению с тонкими плазменными оболочками с толщиной порядка скин-слоя.
Начальные неоднородности сжимаемой плазмы оказывают определяющее влияние на конечные параметры сжатия [12]. При токовом самосжатии многопроволочных вольфрамовых сборок из-за "холодного старта" разряда и затянутого плазмообразования возникают значительные азимутальные и аксиальные неоднородности плазмы, определяющие дальнейшую динамику сжатия генерируемой плазмы. Пространственная неоднородность плазмы образующегося Z-пинча сохраняется и в момент интенсивного рентгеновского излучения, Образующаяся плазма стягивается силами j х Я в приосевую зону в виде многочисленных плазменных сгустков, которые представляет собой радиально вытянутые сгущения плазмы со сравнительно малыми поперечными размерами. В работе [12] поток плазменных сгустков назван "радиальным плазменным ливнем". По мере сжатия к оси сборки они уменьшают свой радиальный размер и сливаются в отдельные плазменные токовые волокна, вытянутые, в основном, вдоль оси разряда.
Существуют несколько моделей Z-пинча, которые могут объяснять процесс сжатия [12]. Модель самосжатых разрядов основана на предположении "снежного плуга" и плазменного лайнера. Эта модель и его модификации предполагают наличие более или менее однородной цилиндрической плазменной оболочки до начала сжатия пинча с последующим развитием двухмерных МГД-неустойчивостей в ходе сжатия. В последние годы появилась "эвристическая модель" Z-пинча многопроволочной сборки и ее модификации для численного моделирования, которые определяют начальную фазу и динамику токового сжатия многопроволочной сборки с учетом азимутальной и аксиальной неоднородностей начальной плазмы [15-17]. Для описания энергетики сжатого состояния быстрого Z-пинча предложена
Л.И. Рудаковым модель пинча на основе тороидальных магнитных пузырей, зарождающихся на периферии и проникающих к оси пинча (buoyant magnetic flux tubes) [18,19]. Эта одномерная модель предполагает МГД-турбулентное перемешивание магнитного потока, проникающего внутрь сжатого пинча со скоростью, близкой к альфвеновской скорости.
Эксперименты, проведенные на установке MAGPIE (IMA, 250 не) в Империал колледж (Англия), показывают, что в результате протекания тока по проволочкам происходит испарение и образования низкоплотной плазменной короны, окружающей проволочку. Динамика сжатия многопроволочного лайнера с формирующейся конфигурацией плазмы вместе с трехмерной топологией магнитного поля сильно отличается от динамики тонкой плазменной оболочки [20]. В течение 80% времени сжатия внутренняя область лайнера постепенно заполняется плазмой, которая образуется в результате испарения неподвижных кернов проволочек. Эта стадия заканчивается с формированием плазменных струй, которые движутся к центру лайнера под действием силы Ампера. При этом на оси лайнера образуется плазменный предвестник (препинч). В конце этой стадии, когда основная часть массы приходит на ось, образуется пинч с горячей плотной плазмой, являющей источником рентгеновского излучения. Отметим, что возникновение препичевой плазмы с пиком плотности на оси может явиться ключевым фактором, обеспечивающим стабильность имплозии лайнера.
Затянутость плазмообразования много проволочных лайнеров приводит к тому, что временная зависимость радиуса лайнера отличается от нульмерной модели. Упрошенной анализ процесса испарения проволочек позволяет оценить скорость плазмообразования [20].
dm =_ fiaI2 It Ш0У
В этих экспериментах по многопроволочным лайнерам исследовалось влияние магнитного поля на скорость испарения из керна
проволочек с их определенным количеством, но с разными диаметрами. Результаты показывают, что скорость абляции для лайнера с меньшим диаметром высока, когда магнитное поле больше. В этой работе предложена модель образования плазмы, учитывающая скорость испарения проволочек.
Успех экспериментальной лайнерной программы в США и России убедил ученых в правильности подхода к решению проблемы шерциального УТС с помощью сильноточных генераторов. Важно, что результаты на различных установках соответствовали скейлингу, согласно которому при токе 50 МА ожидаемый уровень энергии в мягком рентгеновском излучении должен превысить 10 МДж [21], что обеспечит поджиг термоядерной мишени с коэффициентом усиления много большим 1.
В США ведется модернизация установки Z до тока 25-30 МА и обсуждается вопрос о создании установки с током более 50 МА [22,23]. В настоящее время на установке "2" проводится 170-180 запусков в год с максимальным током 18-20 МА. При обжатии многопроволочного лайнера с диаметром 4 см и высотой 2 см был получен импульс рентгеновского излучения с полной энергией 2 МДж, мощностью 200 ТВт. При этом была достигнута температура плазмы 215 эВ. Будущая установка "ZR" позволит осуществлять 400 запусков в год и довести максимальный ток 26 МА в стандартную Z-пинчевую нагрузку диаметром 4 см и длиной 2 см. При этом энергия и мощность рентгеновского излучения достигнут ЗМДж и 350ТВт соответственно, а максимальная температура плазмы составляет 260 эВ. Для того чтобы добиться этих параметров будут реконструированы полностью или частично ГИНы, промежуточный накопитель, газовые и водяные разрядники, передающие линии и магнитноизолированные вакуумные линии.
В России рассматривается возможность создания в ТРИНИТИ
генератора "Байкал" (на базе уникального индуктивного накопителя с энергозапасом 900 МДж) с длительностью импульса 100-200 не и током 50 МА [24,25].
При создании мощных сильноточных генераторов такого типа одним из важных элементов установки является система, позволяющая свести энергию генератора с выходным размером порядка несколько метров на нагрузку сантиметрового размера. В настоящее время для этой цели используются вакуумные концентраторы энергии, выполненные на основе линий с магнитной самоизоляцией [26,27]. При плотности
мощности 1010 Вт/см2 и выше при распространении волны в вакуумной
передающей линии электрическое поле превосходит пороговое значение Е
~ (24-3)-105 В/см, при котором происходит взрывная эмиссия электронов с
отрицательного электрода линии. Электроны, эмитированные с электрода, могут попасть на анод после ускорения в межэлектродном зазоре. И это приводит к потере существенной части энергии электромагнитного импульса и генерации плазмы на аноде. Удержание электронов в вакуумном промежутке оказывается возможным при превышении магнитного поля над электрическим, и это явление получило название магнитной изоляции. При Н > Е электроны, эмитированные с отрицательного электрода, не достигнут положительного и возвратятся обратно на катод. В отсутствие внешнего поля магнитная изоляция может осуществляется собственным магнитным полем.
В линии с магнитной самоизоляцией замагничвается поток электронов, появляющихся в вакуумном зазоре линии, за счет собственного магнитного поля протекающего по линии тока. Принцип магнитной самоизоляции позволяет существенно уменьшить вакуумный зазор линии при высокой напряженности электрического поля Е > 1 МВ/см, и тем самым уменьшить индуктивность линии, что очень важно для создания сильноточных генераторов мегаамперного диапазона. Этот
эффект позволяет транспортировать электромагнитную энергию по магнитноизолированным вакуумным линиям (МИВЛ) на расстояния в несколько метров.
В данной работе изложены результаты исследования динамики имплозии многопроволочных лайнеров посредством измерений динамических спектров рентгеновского излучения и исследована эффективность транспортировки электромагнитной энергии в трёхмерном вакуумном концентраторе энергии установки "С-300" на основе измерений тока потерь в вакуумном концентраторе энергии по выходу тормозного рентгеновского излучения.
Диссертация состоит из введения, 4 главы, заключения.
В главе 1 представлен обзор современного состояния экспериментальных и теоретических исследований в области динамики сжатия многопроволочных лайнеров, обсуждаются физические проблемы, возникшие на сегодняшнем этапе исследований.
Вакуумные передающие линии с магнитной самоизоляцией
Магнитноизолированные вакуумные линии (МИВЛ) нашли широкое применение, как элементы для передачи энергии генератора на нагрузку, прежде всего в крупнейших термоядерных установках Ангара-5 [51], С-300 [52], PBFA [53], Z [21]. Электромагнитная энергия с суммарной мощностью 10м Вт от модульных генераторов электрических импульсов передается в этих установках по вакуумным линиям к диоду или лайнеру. Наименее прочным элементом генератора является диэлектрическая диафрагма, отделяющая вакуумную область МИВ Л от генератора. Плотность потока мощности q, которую можно пропустить через диафрагму, определяется выражением: При напряженности поля Е = 105 В/см2 плотность потока мощности q = 0,25х108 Вт/см2, что на 6-7 порядков меньше величины, необходимой для инициирования микровзрыва. Плотность потока мощности можно увеличить на пять порядков величины до 10 Вт/см2, если использовать МИВЛ для концентрации и передачи энергии. Дальнейшее увеличение может быть достигнуто в различных подходах инерциального синтеза: или в результате фокусировки ионного пучка, или обжатия лайнера и Z-пинча магнитным полем тока, протекающего по нагрузке. Большие значения q при использовании МИВЛ достигаются благодаря высокой электропрочности вакуумного зазора линии. Напряженности электрического поля, при которых действуют МИВЛ, превышают 5МВ/см. При плотности мощности 10 Вт/см и выше при распространении волны в вакуумной передающей линии электрическое поле превосходит пороговое значение Е (2 3)-105 В/см, при котором происходит взрывная эмиссия электронов с отрицательного электрода линии. Таким образом, в указанной области параметров следует рассматривать задачу о совместном распространении по линии электромагнитного импульса и потока электронов. При этом для эффективности транспортировки важным является вопрос о судьбе электронов, которые после ускорения в межэлектродном зазоре могут попасть на анод, приводя к потере существенной части энергии электромагнитного импульса и генерации плазмы на аноде. Известно, что в поле электромагнитной волны движение электронов инфинитно.
Удержание электронов в вакуумном промежутке оказывается возможным при превышении магнитного поля над электрическим. Рассмотрим движение электрона, выходящего с катода цилиндрической линии и ускоряющегося под действием электрического поля Ег. В присутствии магнитного поля Нф движение электрона описывается уравнением причем для входящей сюда скорости vz выполняется закон сохранения обобщенного импульса Выполняя в (1.3) интегрирование, можно получить условие заворота ЭЛеКТрОНОВ Vr = О В МеЖЭЛеКТрОДНОМ Промежутке Г} Г Г2 . где Гі и гг — радиусы внешнего и внутреннего электродов. Соотношение(1.4) является условием "магнитной изоляции" для одной частицы. Магнитная изоляция в одночастичном приближении теоретически и экспериментально для напряжений U 250 кВ впервые была исследована еще в 1921 г. Халлом в [54]. В вакуумной передающей линии, по которой распространяется электромагнитная волна, магнитная изоляция может быть осуществлена за счет дополнительного тока, протекающего по линии. Как будет видно из дальнейшего, такой дополнительный ток возникает за счет утечек при распространении обычной электромагнитной волны. Так как эффект магнитной изоляции возникает путем некоторого увеличения напряженности собственного магнитного поля волны, то он называется магнитной самоизоляцией вакуумной передающей линии. Точный расчет тока /, необходимого для самоизоляции передающей линии при заданном напряжении U на ней, и других параметров возникающего электронного течения требует решения кинетического уравнения для электронов. При этом обычной траекторией электрона является циклоида. Однако численное моделирование формирования электронного потока показывает, что траектории электронов при удалении от начала линии далеки от циклоид и ближе к прямым линиям. Поэтому при анализе магнитной самоизоляции широко используется гидродинамическое приближение, введенное Бриллюэном для анализа работы магнетронов [55]. В этом приближении движение электронов — просто дрейф в скрещенных электрическом и магнитном полях со скоростью:
Дальнейшее развитие эта теория получила в работах [56,57], где были рассмотрены двумерные конфигурации и учитывались внешние магнитные поля. Кинетическая модель магнитной изоляции была развита в [58,59,60]. В квазистационарном приближении, когда длина отрезка линии / мала по сравнению с длиной распространения фронта импульса: / стф (с— скорость света, Тф — длительность фронта импульса), электроды линии можно рассматривать как пластины обыкновенного конденсатора, в котором за счет протекания тока создается магнитное поле. При этом возникающие в результате эмиссии с катода электроны образуют электронный слой, который при условии магнитной самоизоляции занимает часть межэлектродного промежутка. Условием самоизоляции электронного слоя является уменьшение эффективного ларморовского радиуса электрона до значения меньшего межэлектродного зазора. И без учета изменения магнитного поля за счет диамагнетизма электронов условие самоизоляции описывается формулой (1.4). Исследования показали, что бриллюэновское приближение достаточно полно описывает экспериментальные результаты. Заметим,
Лайнерные нагрузки
Исследование Z-пинчей проводится во всем мире уже много лет, На протяжении этих исследований использовались разнообразные нагрузки, такие как вакуумная искра[80], плотный плазменный фокус[81,82], капиллярный разряд[83], замороженная дейтериевая нить[84,85,86], газовая оболочка[87], проволочка[88,89] и многопроволочный лайнер[90,91]. Такие нагрузки использовались на многих установках с разным уровнем мощности. Только в последнее десятилетие имплозия мно го про вол очных лайнеров вызывает все больший и больший интерес у исследователей Z-пинчей. Главным образом это связано с тем, что одним из хороших источников мягкого рентгеновского излучения является 7-пинч[92]. В настоящее время Z-пинч это самый мощный источник мягкого рентгеновского излучения в мире. К достоинствам Z-пинча можно отнести конструкторскую простоту изготовления, высокую плотность мощности и выход радиационной энергии рентгеновского излучения в широком диапазоне спектра. Современные многопроволочные сборки имеет высокую начальную аксиальную симметрию. В последние годы большие успехи были получены в лаборатории Сандия в исследованиях с алюминиевыми и вольфрамовыми проволочными лайнерами в количестве от 12 до 300 [9]. Начальный зазор между соседними проволочками варьировались в интервале 0,4 - 6 мм. На рис.4 показана зависимость максимальной мощности рентгеновского излучения от зазоров, начальный радиус многопроволочных сборок 8,6 мм и 12 мм соответственно. На рис. видно, что максимальная мощность рентгеновского излучения резко уменьшается, когда зазор между проволочками больше 1,5 мм. Уменьшение зазора приводит к повышению энергии и уменьшению ширины импульса рентгеновского излучения. Авторы объясняют этот результат тем, что при большом начальном зазоре между проволочками, плазменная оболочка индивидуальных проволочек сама сжимается, и они имплозируют как многие неустойчивые индивидуальные проволочки.
В случае, когда много проволочек используются (т.е. маленький зазор), ток, протекающий через каждую проволочку слишком мал, чтобы сжать плазменную оболочку индивидуальной проволочки, так что плазмы с отдельных проволочек сливаются, и имплозия цилиндрической плазменной оболочки будет происходить по прогнозу двухмерного расчета. Следует отметить, что успешные исследования по многопроволочным лайнерам были начаты на установке "Ангара-5-Г\ В.П. Смирновым была предложена схема двухоболочечного лайнера (каскадного лайнера) (см. рис. 30), в которой ускоренная внешняя оболочка, соударяясь с внутренней, передает ей энергию, а внутренняя переизлучает ее на мишень, расположенную на оси. Такая схема была рассчитана в одномерном приближении в Институте прикладной математики. При соответствующем выборе веществ для первой и второй оболочек первая играет роль экрана: она удерживает на некоторое время излучение во вігутренней плотности и обеспечивает в результате абляцию внешней оболочки мишени. В экспериментах 1989-1992 гг. была получена энергия импульса мягкого рентгеновского излучения 40кДж за время 5нс, что позволило не только проводить эксперименты по инерционному удержанию, но и исследовать тешюфизические свойства веществ при экстремальных плотностях энергии [93]. Именно на основе этих опытов, впоследствии на более мощной установке Z был достигнут рекордный уровень энергии рентгеновского излучения 2 МДж при длительности В современных сильноточных термоядерных установках разрядный ток составляет миллионы ампер с фронтом нарастания около 100 не при индуктивном падении напряжения в плазме в десятки миллион вольт. Естественно, что для измерения столь больших токов не могут быть использованы стандартные методы, применяемые в современной электротехнике.
Применяемый метод должен быть по возможности также таким, чтобы сам процесс измерения не оказывал заметного влияния на протекание процессов в разрядной камере. Кроме того, желательно, чтобы измерительные цепи не имели омической связи с разрядным контуром, так как устранение такой связи в значительной степени уменьшает опасность пробоев на измерительную аппаратуру и снижает уровень помех, возникающих из-за наличия паразитных цепей. Всем перечисленным здесь требованиям с успехом удовлетворяет пояс Роговского с интегрирующей цепочкой в сочетании с импульсным осциллографом. Высокая помехоустойчивость, надежность результатов и простота конструкции пояса Роговского сделали его одним из наиболее распространенных измерительных инструментов на термоядерных установках различных типов. Но в нашей работе из-за сложной конструкции мишенного узла (рис.3.) пояс Роговского не применяется для измерения тока. Ток через нагрузку измерялся с
Динамика спектра мягкого рентгеновского излучения двойных многопроволочных лайнеров
В этой серии экспериментов исследуется динамика спектра двойных (двухкаскадных) проволочных лайнеров. Зарядка конденсаторов генератора Маркса в этих экспериментах была 40 кВ, так что ток в нагрузке составлял 1,8 - 2 MA при фронте порядка 100 не. В этом случае полная энергия, запасенная в генераторах Маркса, была 200 кДж. В качестве нагрузки использовались двухкаскадные сборки: внешний лайнер состоял из 30 проволочек, равномерно расположенных по окружности диаметром 12 мм, внутренний из 20 проволочек и располагался на диаметре 4 мм или 6 мм (рис. 30). Длина обоих лайнеров была 10 мм. Комбинации лайнеров были такими: внешний лайнер алюминиевый, и внутренний вольфрамовый, или внешний вольфрамовый и внутренний алюминиевой. Алюминиевая проволочка имеет диаметр 15 мкм, а вольфрамовая проволочка б мкм. Полная масса каскадных сборок была одной и той же 275 мкг. На рис.31 представлены типичные осциллограммы импульсов мягкого рентгеновского излучения, полученные с помощью полихроматора, относящиеся к каналам, соответствующим следующим диапазонам энергий: 90, 180, 270, и 600 эВ. На этом рисунке также показаны сигналы выходного тока и напряжения для лайнерной сборки, состоящей из внешнего алюминиевого лайнера (30 проволочек) и внутреннего вольфрамового лайнера (20 проволочек). Основные характеристики динамики спектра двухкаскадного лайнера совпадают с характеристиками одиночного лайнера (см. 3.1). Нарис. 32 для момента времени, соответствующего максимальным значениям амплитуд импульсов мягкого рентгеновского излучения, приведены энергетические спектры MP излучения, полученные при имплозии разных типов лайнера, как и двухкаскадного, так и одиночного. Отметим, что параметры MP излучения (длительности в разных каналах, времени возникновения, ход спектра и т.д.), полученные с помощью полихроматора в пределах ошибок измерений мало зависят от типа лайнера (одиночного лайнера или двухкаскадного). В этом параграфе остановимся подробнее только на особеностях сжатия каскадного лайнера. На рис.31 четко видно, что на всех сигналах мягкого рентгеновского излучения, зарегистрированных в каналах полихроматора появлялись два рентгеновских импульса.
Полуширина обоих импульсов варьировалась от 40 не в мягкой области 50 220 эВ до 20 не в каналах полихроматора, соответствующих диапазонам энергии 300 900 эВ, а время задержки между ними составляло 20 40 не. Такое положение существовало во всех выстрелах наших экспериментов. Причина появления двух пика может быть связана с переключением тока с внешнего лайнера на внутренний лайнер в процессе сжатия. Спектр излучения двойного лайнера в случае, когда материалы внешнего лайнера диаметром 12 мм, внутреннего лайнера диаметром 4 мм совпадает со спектром излучения одиночного лайнера из материала внешнего двойного лайнера. Таким образом, можно предположить, что плазма внешнего лайнера проходит через внутренний почти неподвижный лайнер и производит большую часть рентгеновского излучения на оси. Эти выводы были подтверждены измерениями рентгеновского спектра излучения, сделанными с помощью кристаллического слюдяного рентгеновского спектрографа с двумерным пространственным разрешением в диапазоне энергий квантовЫО кэВ. Как видно из рисунки 33 наблюдается существенное различие в рентгеновских спектрах, полученных спектрографом, в зависимости от радиуса, на котором располагалась внутренняя вольфрамовая сборка. При диаметре внутренней вольфрамовой сборки равной 4 мм и внешней алюминиевой сборки 12 мм, наблюдался яркий спектр [Не]- и [Н]-подобных ионов алюминия в диапазоне 1,5 - 2,5 кэВ. Спектр почти не отличался от спектра, полученного в экспериментах с одиночной проволочной сборкой из алюминия 0 12 мм. Это можно объяснить тем, что внешняя алюминиевая сборка проскакивает внутреннюю вольфрамовую (рис. 33). Энергия, излученная в линиях алюминия в диапазоне энергии 1,5 - 2,5 кэВ, составляла 30 Дж. Следует отметить, что спектр вольфрама на фоне алюминия не различим. Когда вольфрамовый лайнер располагался на окружности диаметром 6 мм, наблюдалась совершенно другая картина: спектр алюминия практически исчез, и появились бледные полосы вольфрамовых переходов.
Исследование утечки тока в вакуумном концентраторе энергии по выходу тормозного излучения
Современные мощные импульсные установки позволяют подвести по вакуумному концентратору электромагнитную энергию 1-10 МДж с мощностью Ю14 Вт к нагрузке при плотности мощности 1010л 1012 Вт/см2. Применяемые концентратора энергии выполнены на основе магнатноизолированных вакуумных передающих линий (МИВЛ) (см. 1-2). При плотности мощности 1010 Вт/см2 и выше при распространении волны в отдельной вакуумной передающей линии электрическое поле превосходит пороговое значение Е (2-3)-10 В/см, при котором происходит взрывная эмиссия электронов с отрицательного электрода линии. Удержание электронов в вакуумном промежутке возможно при выполнении условия Н 3= Е. Когда ток в передающих линиях с магнитной самоизоляцией меньше, чем минимальный ток Imm( у ), который обеспечивает магнитную самоизоляцию в линии, то часть электронов после ускорения в межэлектродном зазоре может попасть на анод, приводя к потере существенной части энергии электромагнитного импульса. Такие потери энергии, прежде всего, наблюдаются на фронте или на спаде импульса тока [27], когда условия магнитной самоизоляции не обеспечиваются. При наличии потерь энергии в вакуумном концентраторе возникает тормозное рентгеновское излучение в результате попадания электронов на анод, которое можно зарегистрировать с помощью рентгеновских детекторов, снабженных фильтрами. Из обработки результатов измерений тормозного излучения можно оценить энергию и ток электронного пучка, которые представляется собой электронные утечки в линиях концентратора [103]. В этом состоит суть нашей методики измерения электронных потерь тока в концентраторе энергии. Измеренное максимальное напряжение в межэлектродном промежутке линий КЭ составляло 400 кВ, т.е. такая величина является наибольшим значением энергии тормозного излучения из концентратора энергии. Тормозное излучение, эмитированное из линий концентратора, выполненных из нержавеющей стали, регистрировалось с помощью полупроводниковых детекторов СППД2.
На рисунках 36 и 37 приведена спектральная чувствительность детектора СППД2 без фильтра и со свинцовым фильтром толщиной 0,2 мм соответственно. Линейный ток датчиков не менее 5 А. Максимальная чувствительность детекторов для энергии излучения Е = 10 кэВ составляла 2-Ю"1 А-см2/Вт и могла регулироваться в пределах двух порядков с помощью калиброванных нейтральных фильтров. Временное разрешение детекторов составляло 8 нс. На рис. 38 приведена схема измерения утечки энергии в вакуумном концентраторе. Расстояние между концентратором (4) и детекторами (1) составляет 105 см, и радиус концентратора 40 см. Для того, чтобы исключить влияние излучения из лайнера (5) на результаты измерений детекторов, мишенный узел, в котором помещался лайнер, сверху экранировался свинцовой пластиной 3 толщиной 8 мм. В качестве поглотителей при регистрации тормозного излучения использовали свинцовые фильтры 2 и комбинационные фильтры Со и Мо различной толщины. Сигналы с детекторов регистрировались с помощью осциллографов типа TEKTRONIK и HEWLETT PARCKARD с полосой 100 - 500 МГц. Концентратор представляется собой трёхмерную вакуумную низкоиндуктивную конфигурацию (рис. 35), имеющий сложную конструкцию. Так как расстояние от датчиков до центра концентратора равно 105 см, что сравнимо с диаметром концентратора 100 см. поэтому необходимо учитывать конструкцию концентратора при оценке утечек тока в нём, которая может заметно влиять на результаты расчётов. Для того чтобы выяснить степень этого влияния, мы сравнивали результаты, полученные на основе трёх вариантов, моделирующих конфигурацию концентратора. Связь между мощностью WTnpM тормозного рентгеновского шлучения с концентратора и плотностью мощности Q в месте детектора СППД2 выражается следующим образом: здесь F - функция, зависящая от выбранной модели. В первом варианте мы предположили, что источник тормозного излучения, вызванного током утечки электронного пучка, считается точечным (рис. 39а).
В этом предположении, функция F, может быть, представлена в виде "4тгп ". Выражение для мощности тормозного рентгеновского излучения из концентратора приобретает вид: здесь WTOpM - мощность тормозного рентгеновского излучения, в Вт; h - расстояние от точечного источника излучения, т.е. центра концентратора до детектора, в см; I - ток детектора, в А; S - средняя чувствительность детектора с фильтром, в А см /Вт. Во втором варианте концентратор представляется собой плоской излучающий диск с центральным отверстием с диаметром, равным мишенному узлу (рис. 396). Для упрощения мы предполагаем, что этот диск излучает равномерно и изотропно. В этом случае функция F имеет вид:
