Введение к работе
Актуальность темы исследований
Повышенный интерес к исследованиям в области физики плотной, высокотемпературной плазмы в значительной мере обусловлен перспективой осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС). Эта проблема привела к возникновению различных направлений исследований, отличающихся друг от друга методами нагрева и удержания плазмы. В настоящее время основное внимание уделяется термоядерным системам с магнитным удержанием плазмы (токамак, стелларатор), а также системам с инерционным удержанием, в которых для инициирования термоядерной реакции используются мощное лазерное излучение или электронные пучки.
Наряду с общепризнанными направлениями
продолжают развиваться и альтернативные подходы, имеющие определенные преимущества. Одной из альтернативных систем являются различные установки типа z-пинч, в которых образуется плотная (Nc > 1019 см"3) высокотемпературная (Т > 1 кэВ) плазма. Физика z-пинчей изучает один из самых фундаментальных объектов физики нестационарной плазмы. Наряду с термоядерной направленностью, z-пинч рассматривается (и уже частично используется) в качестве наиболее перспективного мощного импульсного источника нейтронного, ультрафиолетового, мягкого и жесткого рентгеновского, а также инфракрасного, субмиллиметрового и сверхвысокочастотного излучений.
Установки типа плазменный фокус (ПФ) появились как альтернатива первым экспериментальным устройствам по формированию линейного z-пинча. По достигаемым удельным мощностям, концентрируемым в плазме, ПФ сравним с лазерным фокусом и сфокусированным релятивистским электронным
пучком, отличаясь от них простотой устройства и более высокой эффективностью использования начальной энергии. Так, по параметру «количество нейтронов на I джоуль запасенной в конденсаторной батарее энергии» (~ ПО6) ПФ занимает одно из первых мест среди термоядерных установок.
Актуальность изучения процессов в зоне
контрагирования тока обусловлена тем, что излучательные характеристики z-пинча существенным образом зависят от формы токово-плазменной оболочки, скорости ее сжатия, типа кумуляции, величины тока и скорости его нарастания и т. д. Крупнейшей в мире установкой плазменного фокуса является ПФ-3. В настоящее время на этой установке проводятся эксперименты по созданию мощного источника рентгеновского излучения. Поэтому стадия формирования пинча при работе на тяжелых сильноизлучающих газах (неон, аргон) с большим энерговкладом требует тщательного изучения. Исследования динамики токово-плазменной оболочки в оптическом диапазоне излучения с высоким пространственным (~ 1 мм) и временным (~ 10 не) разрешением, которые позволяют наблюдать тонкую структуру плазменного объекта, при таком диапазоне параметров ранее не проводились. При этом фотографии в оптическом диапазоне являются наиболее информативными для исследования процессов схождения оболочки, формирования и разрушения пинча.
Многочисленные эксперименты показали, что ПФ-системы могут успешно работать в очень большом диапазоне энергий или токов через разрядную камеру - от 20 кА до 4 МА. Но, при увеличении энергии конденсаторной батареи свыше 1-3 МДж, существенно возрастают трудности по согласованию движения оболочки с разрядным контуром, особенно при работе на легких газах (например, на дейтерии).
Существуют два независимых условия согласования: одно - по индуктивности системы, другое - по размерам камеры и давлению газа в ней. Для получения максимума тока в момент наибольшего сжатия необходимо выполнить оба эти условия.
Условие по индуктивности выполняется при равенстве ндуктивностей нагрузки с уже образовавшимся фокусом и нешиего контура. Кроме этого, дл.ч согласования разряда с істочником энергии необходимо, чтобы характерное время .вижения оболочки до вь/хода ее на ось совпадало с характерным ременем передачи всей энергии от источника. Однако ювышению давления выше 10 Торр препятствует возникающая асимметричность (стримерность) начального пробоя газа. Іозтому размер основных конструктивных элементов установки положительного электрода и изолятора, приходится величивать с ростом энергии накопителя.
Следует отметить также, что с повышением энергии іакопителя существенно возрастает тепловая нагрузка на ізолятор, вследствие чего происходит поступление из изолятора ; камеру вещества, которое может служить причиной повторного іробоя межэлектродного промежутка. Повторный пробой ібьічно происходит в районе изолятора и приводит либо к срыву іроцесса формирования пинча вообще, либо снижает его імиссионньїе характеристики.
Для ПФ характерно, что токовая оболочка имеет юронкообразную форму, допускающую вытекание из области максимальной плотности значительной части плазмы в процессе :е сжатия у оси. Этого можно добиться также путем ірофилирования начальной плотности газа посредством імпульсного напуска газовой оболочки в рабочую камеру. При том, для формирования равномерного по азимуту начального іробоя необходима предварительная ионизация периферийной )бласти газовой оболочки.
Перечисленные выше про\. '<[ можно решить путем
іерехода к разрядам в камере с одь> mir" чгжекцией
азовой оболочки и плазменного лайнера. b лом случае збеспечивается формирование симметричной токовой оболочки, тго позволяет снять проблемы начальной стадии и шунтирования іриосевого тока. Основными преимуществами такой камеры івляются:
возможность создания надежной защиты изолятора от излучения пинча при большой энергии батареи;
возможность работы с высоким начальным давлением газа и плазмы, по-видимому, вплоть до эквивалентного давления р ~ 1 атм;
возможность создания оптимального начального профиля плотности газа;
возможность согласования разрядной камеры с конденсаторной батареей при энергиях свыше 3 МДж;
равномерный по азимуту начальный пробой газа, который способствует повышению эффективности сгребания рабочего газа токовым поршнем и снимает проблему пробоя по остаточному газу;
возможность использовать в качестве рабочего вещества практически любой диэлектрик;
отсутствие проблем с выбором материала изолятора и его предварительной подготовки: для вывода камеры на режим не нужно проводить длительную серию тренировочных разрядов.
Цель работы
Целью настоящей работы являлось исследование и сравнительный анализ двух вариантов сильноточного нецилиндрического разряда с профилированием плотности плазмы по радиусу: 1) искусственное профилирование посредством импульсного напуска газа в разрядный промежуток; 2) самопрофилирование (за счет двумерности сжатия оболочки).
Основные задачи по первому направлению: а) разработка экспериментальных схем сильноточного разряда типа z-гшнч с профилированием начальной плотности газа для повышения конечных параметров плазмы; 2) исследование степени влияния предиоиизации на динамику формирования токового слоя в газовой оболочке и конечные параметры сжатия плазмы;
3) создание аппаратуры, позволяющей проводить эксперименты с импульсным напуском газовой оболочки и плазменного лайнера. По второму направлению: а) применение методики высокоскоростного оптического фотографирования для исследования динамики токово-плазменной оболочки плазменного фокуса; б) исследование влияния формы и параметров токово-плазменной оболочки на характеристики плазменного фокуса при разрядах в тяжелых сильноизлучающих газах (неон,аргон).
Научная новизна
Разработана экспериментальная схема сильноточного разряда типа z-пинч с профилированием начальной плотности газа в которой впервые предложена система предионизации, основанная на использовании плазменного инжектора эрозионного типа.
Проведены исследования z-пинча с одновременной инжекцией газовой оболочки и плазменного лайнера. Показано, что инжекция плазменного лайнера приводит к существенному повышению стабильности разрядов.
Впервые проведено исследование динамики плазменной оболочки плазмофокусного разряда с сильноизлучающими газами при энергозапасе источника питания ~ 1 МДж в оптическом диапазоне излучения с высоким пространственным (~ 1 мм) и временным (~ 10 не) разрешением.
Научная и практическая ценность работы
Полученные в работе результаты имеют важное значение для понимания целого ряда процессов, происходящих в импульсных сильноточных разрядах. Они могут быть использованы при разработке и создании мощных импульсных
источников ионизирующих излучений на базе z-пинча. Опыт, накопленный при создании экспериментальных установок и комплекса диагностического оборудования может быть использован при создании более современной аппаратуры для исследований в обласні физики высокотемпературной плазмы. Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы при создании теоретических моделей процесса сжатия токовой оболочки.
Основные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся:
-
Метод получения сильноточного разряда типа z-пинч с профилированием начальной плотности газа и системой предионизации, основанной на использовании плазменного инжектора эрозионного типа.
-
Экспериментальная аппаратура для проведения экспериментов по сжатию плазмы z-пинча с одновременной инжекцией газовой оболочки и плазменного лайнера.
-
Результаты исследования z-пинча с одновременной инжекцией газовой оболочки и плазменного лайнера. Вывод о повышении стабильности разрядов при инжекции плазменного лайнера.
-
Диагностический комплекс пня исследования динамики плазменном обо" -. , ...шіческом диапазоне излучения с высоким ири^., ^иным и временным разрешением.
-
Результаты исследования динамики плазменной оболочки плазменного фокуса в конечной стадии развития разряда в тяжелых сильноизлучающих газах при энергозапасе источника питания ~ 1 Мдж. Вывод о стабилизирующем воздействии первоначальной закрученности токовых волокон, на образование перетяжки и о последующем развитии неустойчивости с модой m = 1.
6. Экспериментальная установка (разрядная камера, схема синхронизации, конденсаторная батарея энергоемкостью 1,2 МДж), позволяющая проводить эксперименты по сжатию плазмы z-пинча с импульсным напуском при напряжении 40 кВ и токе 5 МЛ.
Апробация работы
Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 12 печатных работах. Их список приведен в конце автореферата.
Основные результаты диссертации докладывались на 1 и 3-й Всесоюзных конференциях по импульсным источникам энергии (Юрмала, 1983 г.; Ленинград, 1989 г.), на 5 и 6-й Международных конференциях по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам (Новосибирск, 1989 г.; Альбукерк (США), 1992 г.), на 3-й Международной конференции по плотным z-пинчам (Лондон, 1993 г.), на Международной конференции по физике плазмы (Сан-Диего (США), 1997 г.), на XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1997 г.), на II Симпозиуме по текущим тенденциям в международных исследованиях по термоядерному синтезу (Вашингтон (США), 1997 г.), на Совещании по плазменному фокусу (Кудова Здрой (Польша), 1998 г.).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Основные выводы приводятся в конце каждой главы и в заключении. Диссертация изложена на 137 страницах и содержит 58 рисунков.
