Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор теоретических и экспериментальных работ 14
1.1. Режимы ускорения 14
1.2. Энергетическая эффективность импульсных плазменных ускорителей 35
1.3. Масштабные соотношения 40
Глава II. Схема расчета импульсных ускорителей 47
2.1. Обоснование модели ускорения 47
2.2. Метод расчета 48
2.3. Результаты оптимизации 55
Глава III. Экспериментальный стенд 59
3.1. Схема установки и обоснование ее выбора . 59
3.2. Емкостной накопитель 60
3.3. Элементы конструкции ускорителей 64
3.4. Система импульсного напуска газа 70
3.5. Плазмопровод 82
Глава ІV. Методо диагностики 85
4.1. Измерение электротехнических параметров разряда 85
4.2. Скоростное фотографирование
4.3. Магнитные зонды 86
4.4. Интерферометрия 87
4.5. Корпускулярные методы 88
4.6. Калориметрические и пьезоэлектрические измерения 90
4.7. Спектральные измерения 93
4.8. Измерения плотности нейтрального газа 93
4.9. Исследование нейтронного и рентгеновского из лучения 94
Глава V. Плазменный ускоритель МК-200 96
5.1. Режим ускорения большого количества частиц 96
5.2. Режим получения высоких скоростей потока . 104
5.3. Проверка масштабных соотношений 120
Глава VІ. Плазменный ускоритель МК-500 133
6.1. Исследование релшмов ускорения плазмы в уско
рителе с емкостным накопителем с параметрами
С0= 700 мкФ, U0= 30 кВ .Т... 134
6.1.1. Центральный напуск газа 135
6.1.2. Кольцевой напуск газа 149
6.2. Исследование режимов ускорения плазмы в уско
рителе с параметрами накопителя Уп"1>4 ВДк>
б0 = И50 мкФ 153
6.2.1. Сплошной внешний электрод 154
6.2.2. Прутковый внешний электрод 161
Глава VII. Обсуждение результатов 167
Вывода 180
Литература
- Энергетическая эффективность импульсных плазменных ускорителей
- Результаты оптимизации
- Система импульсного напуска газа
- Калориметрические и пьезоэлектрические измерения
Введение к работе
Электродинамическое ускорение квазинейтральной плазмы основано на открытом Ампером законе взаимодействия магнитного поля с токонесущим проводником. Систематическое экспериментальное и теоретическое изучение этого метода разгона плазмы было начато в первой половине пятидесятых годов в рамках программы по управляемому термоядерному синтезу и было подготовлено исследованиями линейных пинчей с большой скоростью нарастания разрядного тока /1,2,3,4/. В результате этих работ была осознана определяющая роль сил инерции и скин-эффекта в динамике мощных импульсных разрядов. Непосредственным толчком к развитию ускорительной тематики послужила серия исследований /5,6,7/, предпринятая в целях разработки методов инжекции плазмы в термоядерные устройства.
Основным преимуществом электродинамического метода ускорения вещества является возможность обойти трудности, связанные с дефокусировкой пучка под действием сил объемного заряда. Квазинейтральность плазмы, по крайней мере в принципе, позволяет получить достаточно большое количество ускоренных частиц в импульсе. Их скорость, как показывают расчеты, может достигать вели-чины порядка 10 м/с. Термализация направленной энергии таких потоков должна приводить к образованию плазмы с температурой торможения дейтерия ~ 10 кэВ. Отсюда становится понятным постоянный интерес физиков, занимающихся исследованиями свойств высокотемпературной плазмы, к описываемому методу ее получения.
Первые же эксперименты, проведенные по программе УТС, показали, что плазменные ускорители являются генераторами заря-
(Г
женных частиц, движущихся со скоростью ~ 10 м/с. КПД преобразования энергии конденсаторных накопителей в кинетическую энергию потоков достигал (30*40)%. Эти успехи в сочетании с просто-
- 5 -той и дешевизной экспериментальных устройств дали толчок к развитию работ по применению плазменных ускорителей в других областях науки и техники. Так, с конца пятидесятых годов активно обсуждаются вопросы создания плазменных двигателей для космических аппаратов /8/. Известно, что их применение вместо химических приводит к значительному выигрышу в полезной массе ракеты. Еще большим удельным импульсом обладают ионные двигатели. Однако, их недостатком является малая тяга и для достижения нужного прироста скорости ракеты при том же источнике энергии требуется существенно больше времени. Указанные преимущества и простота плазменных двигателей обеспечили их разработку для целого ряда конкретных задач. В настоящее время они широко используются для корректировки траекторий полета космических аппаратов /9,10/.
Не менее интенсивно ведутся эксперименты по исследованию взаимодействия плазменных потоков ускорителей, установленных на спутниках, с магнитосферой Земли и космической плазмой. Но особенно широкое распространение получили опыты по моделированию процессов взаимодействия солнечного ветра с магнитными полями планет, околопланетной и межпланетной плазмой /11,12,13/. И хотя точное моделирование взаимодействия солнечного ветра с планетами невозможно, отдельные космические явления могут быть успешно воспроизведены и изучены в лаборатории в рамках ограниченного моделирования /14/. Согласно требованиям этого метода поток плазмы, взаимодействующий с магнитным диполем, должен обладать
следующими параметрами: направленная скорость ~ 3.10 м/с, пло
та _з "Т
тность ТЬ~Ю м , электронная температура 1е» 20 эВ, вмо
роженное поле И—40 Э, ионная температура 1^5 эВ. Такие па
раметры плазменных потоков успешно реализуются в экспериментах
- б -
по электродинамическому ускорению плазмы.
Другой областью применения плазменных ускорителей является плазменная технология. В настоящее время она проходит стадию интенсивного развития и плазменные ускорители занимают одно из ведущих мест. Это обусловлено возможностью получения потоков вещества со скоростями от сотен метров до сотен километров в секунду и с плотностями потока энергии более 10 вт/м^. Важной особенностью плазменных ускорителей является также и то, что выбор исходных материалов для получения плазмы в них практически не ограничен: это могут быть любые газы, металлы, диэлектрики. Перечисленные свойства позволяют применять плазменные ускорители в таких областях промышленности, как плазмохимия, металлургия, сварка, вакуумная техника, выращивание кристаллов, нанесение покрытий и тонких пленок и т.д. /15,16,17/.
Что касается термоядерной тематики, то здесь после сравнительно интенсивной стадии исследований в 1955 * 1965 гг. наступил заметный спад активности. Основная причина заключалась, по всей видимости,втом, что при фиксированной энергетике (^ 10 кДж) емкостных накопителей для достижения скорости потока ~10 м/с приходилось снижать количество ускоряемого вещества-и его плотность. В этих условиях разряд переходил в турбулентное состояние. . Оно считалось причиной появления быстрых частиц. КПД процесса был мал. Надежная теория явлений и масштабные соотношения, позволявшие экстраполировать достигнутые результаты в область термоядерных параметров, отсутствовали, и перспективы разработки устройств с термоядерными параметрами представлялись неясными.
В то же время в экспериментах по ускорению относительно боль-ших количеств вещества и, следовательно, при малых ( ^ 10 м/с) скоростях его движения реализовались условия, при которых форми-
- 7 -ровалась компактная плазменная оболочка. Ее эволюцию можно было описывать сравнительно простыми уравнениями /72/. Переход к повышенной ( ~ 100 кДж) энергетике и подбор начальных условий показал, что компактная оболочка водородной плазмы может быть
разогнана до (2*3)10 м/с, а ее энергосодержание доведено до нескольких десятков килоджоулей /21/. Эти результаты открывали определенные перспективы перехода к термоядерным параметрам плазменных сгустков.
Объем трудностей, которые должны быть преодолены при разработке ускорителей с "термоядерными" параметрами плазмы, может быть цроиллюстрирован на примере системы в'- пинч с лайнером. Оценка параметров такой системы /18/ показывает, что условия, соответствующие критерию Лоусона ТСй = 10 м *с, реализуются при энергии сталкивающихся потоков WnA= 60 МДж. (В рассматриваемой системе уход частиц через торцы ограничивается антипробочной конфигурацией поля ). Такое энергосодержание потока более чем на два порядка превышает достигнутое к настоящему времени. Далее, для получения температуры торможения Т ~ 10 кЭв, скорость потока перед столкновением должна быть 1Г> 10 м/с. И, наконец, для эффективной термализации таких встречных потоков их плот-ность должна находиться на уровне ~ 5е10е м (длина торможения
6^1 м). В современной периодической литературе нет сведений даже о попытках реализовать системы с такими параметрами плазмы.
В качестве этапа разработок ускорителей для термоядерного эксперимента можно рассматривать системы с энергосодержанием
W ~ І МДж в плазменных сгустках. Современные тенденции развития ускорителей не дают оснований для сомнений в реальности такого проекта. Его реализация позволит подойти к созданию устройств
TQ О
с тСГ-Ю м .с, с температурой плазмы на уровне (6*8) кэВ.
-8-ИХ практическая ценность очевидна. Во-первых, они позволят начать проработку элементов гибридного реактора в наиболее простой, линейной геометрии и, во-вторых, приступить к созданию нейт-ронных источников с количеством нейтронов порядка 10 * 10 за импульс (100 кДж в Д-Т нейтронах) /20/.
При переходе к источнику питания мегаджоульного диапазона первостепенную важность приобретают вопросы оптимизации системы емкостной накопитель - плазменный ускоритель.
Процесс получения мощных потоков плазмы, генерируемых импульсными электродинамическими ускорителями, можно разделить на два последовательных этапа: I) концентрация энергии \\[ в накопителе (например, зарядка конденсаторной батареи) и 2) преобразование этой энергии в энергию плазменного потока. Соответственно повышение энергосодержания плазменного потока может развиваться в двух очевидных направлениях: это повышение энергии накопителя и повышение КПД преобразования энергии накопителя в энергию плазмы.
Первые же эксперименты с плазменными ускорителями /21/ показали необходимость согласованного рассмотрения этих направлений. Прямое повышение энергозапаса конденсаторной батареи для конкретного ускорителя приводило к росту энергии плазменного потока лишь до определенного уровня. Дальнейшее увеличение энергии батареи сопровождалось уменьшением КПД системы и требовало подбора новых условий разгона плазмы. Выбор и обоснование метода, позволяющего получать плазменные потоки с необходимыми параметрами, а также экспериментальная реализация развитых представлений определяют содержание предлагаемой диссертации.
Целью данной работы является разработка и систематическое экспериментальное исследование импульсных плазменных ускорите-
- 9 -лей высокой мощности ( W~ I МДж, Т/2 ~ 10 мкс), предназначенных для генерации потоков плазмы, используемых в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу.
Диссертация состоит из введения, семи глав и выводов.
В первой главе содержится обзор теоретических и экспериментальных работ по плазменным ускорителям, обсуждаются сложившиеся взгляды на механизмы ускорения плазмы и эффективность ее разгона. Показано, что при высокой (ТЪ0>10 м ) плотности нейтрального газа в зазоре ускорителя реализуются условия, при которых формируется компактная плазменная оболочка. В этих режимах экспериментальные результаты хорошо согласуются с двумерными гидродинамическими расчетами и данными, полученными с помощью модели "снежного плуга". Такое сочетание позволяет осуществить расчеты по оптимизации ускорителей. Во второй части главы рассматриваются работы с наиболее характерными подходами к решению задачи. В заключительной части обсуждаются масштабные соотношения, позволяющие провести качественный анализ условий ускорения на различных уровнях энергоемкости накопителя. Показано, что с ростом энергии емкостного накопителя можно увеличить энергосодержание плазменных сгустков и их скорость, оставаясь в рамках модели электродинамического разгона плотных плазменных оболочек.
Во второй главе излагается метод оптимизации импульсных ускорителей, основанный на электродинамической модели с непрозрачной токовой оболочкой. В расчетах учитывались ограничения, накладываемые на конструктивные элементы ускорительных систем требованиями технологии их изготовления. Приводятся результаты расчета конкретных ускорителей. Демонстрируется цреимущество профилированных электродных систем с растущей к выходу из ускорителя погонной индуктивностью и локализованным по длине элект-
родов распределением газа. Показано, что расчетный кинетический
КЦД системы 0=1л/ /V может достигать 50% для широкого диапа-
( пл/ зона параметров батареи и характеристик плазменных потоков.
В третьей главе приводится описание узлов экспериментальной установки и критерии выбора параметров того или иного узла. Изложены характеристики емкостных накопителей с энергозапасом Wn = 500,750 и 1400 кДж, использовавшихся в эксперименте. Представлены конструкции ускорителей, предназначенных для получения
с с.
скоростей плазменных потоков в диапазоне У = 10 * 10 м/с.
Приводятся конструктивные особенности и данные испытаний различных типов быстродействующих инжекторов нейтрального газа с рас-
27 ходом водорода до 5*10 молекул в секунду и временем открытия
^100 мкс.
В четвертой главе описываются методы диагностики плазмы и соответствующая аппаратура, а также анализируется применимость различных методик и их точность.
В пятой главе приводятся результаты эксперимента с плазменным ускорителем МК-200. Эксперимент показал, что для двух вариантов электродных конфигураций КПД системы достигал (30-г50)%, а полное энергосодержание сгустков вышло на уровень 100 кдж. В одном из вариантов средняя скорость дейтонов составила
V-— (5*6)«10 м/с при полном числе частиц ~ 10 . Во втором случае эти величины равнялись 10 м/с и 5»10 соответственно. В заключительной части главы представлены результаты проверки масштабных соотношений. Исследовались электроды с уменьшенной погонной индуктивностью (что достигалось сокращением величины межэлектродного зазора), а также представлены результаты эксперимента с батареей, характерное время вывода энергии которой быю понижено более чем в два раза (за счет уменьшения ее емкости). Пока-
- II -
зано, что интегральные характеристики разряда в этих условиях соответствуют расчетным. Определена нижняя граница величины межэлектродного зазора. Она определяется повторными пробоями и составляет ~ 30 мм при времени ускорения ~10 МКС.
В шестой главе приводятсярезультаты экспериментов, направ-ленных на достижение высоких ( ~ 10 м/с) скоростей плазменных потоков (ускоритель МК-500). Эксперименты проводились с модернизированной системой инжекции нейтрального газа в канал ускорителя и энергозапасом накопителя до I Щж. Получены потоки плазмы с энергосодержанием до 200 кДж и суммарным количеством ускоренных дейтонов до 10 . Характерной особенностью работы ускорителя МК-500 является то, что с уменьшением отношения A"2,/^ ( Д2 -межэлектродный зазор, Ь* - длина электродов), необходимым для согласования по электродинамической модели, заметно возрастают потери вещества в процессе ускорения. Получены количественные оценки баланса рабочего вещества и энергии для различных режимов работы системы.
В седьмой главе суммируются и обсуждаются полученные результаты. Отмечается, что в определенных пределах изменения параметров расчетных схем, использованный метод оптимизации импульсных плазменных ускорителей позволяет провести ориентировочный выбор высокоэффективной системы емкостной накопитель-ускоритель. Обсуждаются проблемы расширения пределов применимости метода, перспективы развития техники ускорителей и повышения параметров генерируемых плазменных потоков. Указывается на необходимость повышения мощности источника питания, что позволит работать с электродными системами с незначительными потерями рабочего вещества. Рассматриваются другие способы повышения КПД импульсных плазменных ускорителей.
В заключении сформулированы основные выводы по работе.
На зашиту выносятся следующие результаты:
I. Данные оптимизационных расчетов, показывающие, что выбор профиля и характерных размеров электродов ускорителя позволяет согласовать емкостной накопитель с ускорителем в широком диапазоне параметров конденсаторной батареи и характеристик плазменных потоков. Расчетный кинетический КОД системы может превышать
2. Результаты комплексных исследований импульсных плазмен
ных ускорителей с энергозапасом в емкостном накопителе до 1,4МДж,
разрядным током до 5 МА и с газовой загрузкой до 10 частиц
(Ю0 > VL )> указывающие на определяющую роль электродинами-ческого механизма ускорения плазмы в этих условиях.
3. Результаты измерений параметров плазменных потоков опти
мизированных ускорительных систем, показывающие, что:
а) этими системами генерируются сгустки плазмы с энергосо
держанием до 200 кДж при КПД (20-540)%;
б) скорость плазменных потоков, в зависимости от условий
ускорения лежит в диапазоне 10 *10 м/с;
в) суммарное количество ускоренных частиц варьируется от
TQ ??
10х* до ICr* дейтонов;
г) плотность плазменного потока для различных режимов сос
тавляет 1-Ю21 * 5-Ю23 м~3.
4. Результаты разработок и испытаний быстродействующих инжек-
торов нейтрального газа с расходом водорода до b*IQr молекул в
секунду, временем открытия 100 мкс и инжектируемым числом моле-
кул~Ю24(Вг, Н2).
Эксперименты, проводившиеся в рамках предлагаемой работы, выполнены в 1973-1982 гг..
- ІЗ -Результаты экспериментальных исследований и численных расчетов и полученные на их основе выводы и рекомендации опубликованы в статьях /90,92,66,86,93,111,112,113)представлялись на Международные /72/ (1974 г.Токио), /106/ (1981 г.Минск) и Европейские /107/ (1975 г. Лозанна) конференции, докладывались на институтских /85/ и Всесоюзных конференциях /108,109,110/, а также оформлены в виде заявок на изобретения /83,84/.
Энергетическая эффективность импульсных плазменных ускорителей
Энергетический КГЩ импульсных плазменных ускорителей является одной из важнейших характеристик системы. Его увеличение
- 36 -особенно актуально для современных экспериментов с источниками, энергозапас которых приближается к I Щж и превышает его.
Оценки КПД электродинамических ускорителей проводились практически во всех как теоретических, так и экспериментальных исследованиях, причем диапазон изменения полученных КПД оказывается удивительно широким. Он простирается от единиц процентов /64,66,65,39/ и практически до 100% /67,68,69/. Такой разброс экспериментальных данных свидетельствует о наличии сильной зависимости КПД от параметров конкретной установки и режимов ее работы. Попытки найти эту зависимость не раз предпринимались как экспериментально, /68,70,65,71,81/, так и теоретически /66,82,83,84,85/.
Теоретический подход к оптимизации КПД системы впервые сформулирован в работе /82/. Он основан на численном анализе уравнений электродинамики /І/. В данной работе вводилось эффективное время ускорения сгустка, превышение которого может приводить либо к уходу плазмы на электроды, либо к исчезновению градиента давления магнитного поля на токовом слое из-за диффузии поля в слое. При этом условии для конкретной установки находились оптимальные значения ( 0)опт и ( о ) опт Заданными величинами считались начальное напряжение батареи U0 » масса плазменного сгустка ТП/0 и погонная индуктивность электродов L . Такая постановка задачи не раскрывает полностью перспектив развития плазменных ускорителей. Дело в том, что при заданных характерных размерах электродной системы ускорителя (в работе& =1 см, t= 10 см), условие эффективной передачи энергии в плазменных сгустках накладывает весьма жесткие требования на собственную частоту батареи питания. Заметим, что ускоритель, генерирующий сгустки с энергией I МДж и расчитанный по описанной выше схе - 37 -ме, должен иметь емкостной накопитель, параметры которого выходят за пределы современных технических возможностей и, соответственно, не может быть реализован.
Анализ энергетических соотношений в колебательном контуре системы, описываемой моделью жесткой токовой перемычки, проведен в работе /83/. В процессе поиска максимальных значений КПД рассмотрено несколько зависимостей полной индуктивности системы от координаты подвижного элемента контура. Рассчитан переход к бесконечно малой паразитной индуктивности LQ " 0, учтено активное сопротивление цепи и его влияние на КПД ускорителя.
Основные выводы сводятся к следующему:
1. Параметрами, определяющими энергетическую эффективность ускорения проводящего тела током разряда конденсатора, являются K=(L C0U0f/2m/\L, где i / - погонная индуктивность, ГП - масса тела, /\L - полное изменение индуктивности при разгоне. Максимальный КПД достигается в том случае, когда ускорение завершается к концу первого полупериода изменения тока в контуре, что соответствует значению
2. Для каждого режима с К = I существует определенное оптимальное, отличное от нуля, значение LQ .
3. Активное сопротивление контура сильнее влияет на КПД медленных процессов (К I, многопериодное ускорение). Его влияние на КПД в случае К I определяется степенью уменьшения первого максимума тока подобно тому, как это имеет место в колебательном контуре с постоянными параметрами.
Максимально полный учет различных факторов, влияющих на энергетическою эффективность коаксиальных плазменных ускорителей, питаемых от емкости, проведен в работе /85/. В ней процесс разгона описывается тремя связанными между собой уравнениями. Первые два уравнения: уравнение электрической цепи и уравнение количества движения включают функции, зависящие от температуры плазмы. Третьим уравнением является уравнение теплового баланса, необходимое для нахождения температуры плазмы. В уравнение цепи, кроме обычных для электродинамической модели составляющих, включены падение напряжения, связанное с ионизацией и возбуждением, и активное сопротивление внешних участков контура. В уравнении движения предполагается, что токовый слой разряда уносит встречающуюся на его пути массу (модель &П0МҐ-DuTUJ), сообщая ей скорость. Кроме того, в уравнении количества движения предполагается, что все направленное количество движения частицы, ударяющейся в стенку, отдается последней. В уравнении теплового баланса, с одной стороны, учитывается ударноволновой и джоулев нагрев, а с другой стороны, потери энергии по следующим каналам: I) конвективные потоки, обусловленные диффузией частиц; 2) потери, идущие по электронному каналу с классической теплопроводностью; 3) потери на ионизацию и возбуждение; 4) конвективные потери, связанные с током проводимости.
Результаты оптимизации
Вычислялись ток разряда, КПД О системы и скорость ЯГ плазмы на выходе ускорителя. На рис.3,4 они сопоставлены с измеренными значениями X ("t/ , О и ЯГ . Достаточно хорошее совпадение данных расче та и эксперимента позволило приступить к решению в некотором смысле обратной задачи: поиску таких начальных условий и форм электродов, при которых КПД системы емкостной накопитель-ускори тель был бы максимальным при заданных параметрах потока. По оп ределению эффективность преобразования энергии накопителя в ки нетическую энергию потока равна w C U » где (ъ энеР гия плазмы. В обсуждаемом случае работа пондеромоторных сил оп ределялась выражением w„ - о J Ь Ф" ЯГоШ , и задача оптими зации системы сводилась к отысканию максимума этой функции при изменении параметров контура ( L п » Ь , U ), вида распределе ния ГП- (z) нейтрального газа в зазоре, зависимости L (2/ и ве личины Li=0 - начальной погонной индуктивности канала. Пара метры (полное число частиц в зазоре) зада вались в виде начальных условий задачи. Функция U\%) апрокси мировалась несколькими отрезками прямых с произвольными угловы ми коэффициентами и в таком виде вводилась в программу расчета. Программа была составлена так, что ЭВМ, варьируя параметры отрезков прямых, на каждом счетном шаге отыскивала максимум ско рости оболочки. Счет прекращался тогда, когда приращение скорос ти на шаге не превышало 0,1% ее величины. В результате автомати чески достигалось максимальное значение 1 скорости оболоч ки и находилась соответствующая ей оптимальная зависимость L ( / .
При заданном начальными условиями значении 1\1 найденные величи ш "УУШ/ХІ И І С / соответствовали максимуму КЦЦ системы.
Начальные условия задачи изменялись в определенных преде лах. Емкость CQ = (500+600) мкФ, что соответствовало емкости накопителя действующего источника тока. Для U интервал изменения определялся типом выбранных конденсаторов и составлял (10 50) кВ. Индуктивность Ь изменялась от 10 нГ до 40 нГ. Нижний ее предел U0 (тш ) еш-е не требует специальных решений по изготовлению фидера установки. Величина =0-- & (1+л%/-го)И0нГн/м ( Ь& - ширина зазора, .п - радиус внутреннего электрода в на-чале ускорительного тракта). Для к = 10 нГн/м, "U =2.0л. Ширина ДО не может быть произвольной. Из экспериментов следует, что при &Z С Ю мм возрастает вероятность ранних повторных пробоев. Поэтому для Д = 3 10 м, -Q « 0,5 м. Здесь основная трудность заключается не в создании электродных систем большого диаметра, а в необходимости разработки инжекторов нейтрального газа нового типа. Основные вычисления были выполнены для г=0/тілгї= (0,5 2) Ю Гн/м. Величина 8 варьировалась в пределах от 30 до 100 эВ. Распределения № [ ) изменялись от
О - функции до сплошного заполнения зазора газом. Полное число N частиц в распределении не может быть произвольным. Для реализации режимов с большими скоростями потока при заданных CQ и LL , казалось бы, следует уменьшать N до тех пор, пока не будет достигнут необходимый уровень энергии частиц. Однако, экспериментально показано, что достаточно компактная плазменная оболочка формируется только в том случае, если начальная плотность водорода в зазоре составляет ( IO -rlO23) м . Характерный объем газа в ускорителе с = 0,1 м и /Л= (3 5). КГ2 м нахо-дится на уровне (54-10).10 м. Поэтому расчеты будут отражать реальный процесс в том случае, если N 10 частиц.
Результаты оптимизации. Результаты вычислений получены в виде зависимостей скорости плазменной оболочки от напряжения UQ . На рис.5 приведены данные расчета для различных Q(mOw) » п (тлл\/) и нескольких значений N .
Здесь каждой точке плоскости ( V , U0 ) соответствует своя оптимизированная зависимость L(z). Видно, что в достаточно широком интервале параметров ( N , U0 ) подбором Ы?/ систему накопитель-ускоритель удается согласовать так, что ее КПД остается на уровне 50%. Рассогласование системы для N = 10 и U0 30 кВ объясняется следующими причинами. Анализ результатов расчета показывает, что максимальные значения п достигаются тогда, когда характерное время ьу ускорения сравнимо с характерным Временем L Q разряда конденсаторной батареи. В этом случае практически вся энергия накопителя может быть сосредоточена в кинетической энергии оболочки и в магнитном поле канала ускорителя. Время Су регулируется величиной LU/. При kAw Ln ток разряда начинает быстро падать ("особенность" на токе), и эффективность набора сюрости снижается (ускорение прекращается).
Система импульсного напуска газа
Конструкция, обеспечивающая необходимое распределение плотности нейтрального газа в межэлектродном пространстве в момент пробоя, является одним из основных элементов плазменного ускорителя. Суммарное количество инжектированного в межэлектродный зазор газа по длине ускорителя, азимутальная симметрия газового облака не только определяют основные параметры плазменных сгустков на выходе из ускорителя, но и во многих случаях определяют принципиальную возможность работы ускорителя в заданном режиме.
Система, обеспечивающая инжекцию газа в межэлектродный зазор, включает в себя следующие элементы: инжектор газа, каналы транспортировки газа в межэлектродный зазор и системы электрического и газового обеспечения инжектора.
Конструкции и характеристики инжекторов. нейтрального газа.
Свойства инжектора можно характеризовать двумя основными параметрами: полным количеством нейтрального газа, инжектируемого в ускорительный промежуток, и его расходом. Последняя величина определяется сюоростью и амплитудой открытия проходного сечения клапана и величиной давления газа в подклапанном объеме.
Несложно сделать некоторые оценки этих величин. Принимая скорость истечения газа из инжектора1Г = 2.10 м/с ( rL , В ) и расстояние от отверстий до изолятора 0,2 м, получим время растекания газа вдоль электродов. Следовательно, время вытекания необходимого количества газа из-под клапана не должно превышать эту величину ( 100 мкс). Для рабочего давления в подклапанном объеме Н = 1С МПа и необходимого количества частиц N Ю в зазоре инжектируемый объем газа равен V — — 2-Ю м . При скорости истечения 2.10 м/с, длина струи составляет 0,2 м и, соответственно, ее среднее сечение равно к 2 10 м . Отсюда скорость изменения проходного сечения должна превышать 20 шг/юЛ = 9,2 м2/с.
Инжектор газа (ЭД-100-20) с такими характеристиками был разработан Г.Н.Аретовым специально для установки МК-200 /81/. Он обеспечил необходимую газовую загрузку ускорителя при инжек-ции потока вдоль электродов. Разработка ускорителей с "узким" распределением газа и крупномасштабными электродами вызвала необходимость улучшения параметров инжекторов. При заданном суммарном количестве частиц в зазоре переход к сосредоточенным в районе впускных отверстий газовым распределениям требует повышения плотности в слое. При постоянном давлении газа под клапаном этого можно добиться увеличением скорости открытия и амплитуды проходного сечения. С этой целью был изготовлен и испытан клапан ЭД-Ю0-200. Он отличался от клапана ЭД-100-20 увеличенньми вдвое линейными размерами и связанными с этим незначительными конструктивными доработками. Его подклапанный объем возрос в 10 раз, в пять раз увеличилось проходное сечение (при сдвиге штока на одинаковую величину). Конструкция клапана представлена на (рис.13). На (рис.14) приведена фотография клапанов ЭД-ЮО-20 и ЭД-ЮО-200. Газ в подклапанный объем (6) ( Vn = 2«Ю-4 м , IQ IO МПа) подается через отверстие (5) в корпусе (4) инжектора. В переднюю торцевую часть корпуса ввернута крышка (8) с уплотнителем (7). Через центральные отверстия крышки и корпуса проходит шток клапана (II) (дюралюминий, вес 135 г.), имеющий на заднем конце уширение, примыкающее к торцу катушки (14). Тефлоновые манжеты (10) и (12) в комплекте с резиновыми уплотнениями (9), обеспечивают необходимую подвижность и герметичность посадки клапана.
В исходном положении клапан упирается в ограничитель (2), при этом между клапаном и торцем катушки (14) остается зазор порядка 0,2 мм. Магнитная катушка закреплена на корпусе инжектора накидной гайкой (I). Участки стержня клапана, входящие в манжеты (10,12) имеют разные диаметры, отличающиеся на 0,2 мм. Конец стержня имеет меньший диаметр, равный 18 мм. Поэтому при повышении давления в подклепанном объеме возникает дополнительная сила, прижимающая клапан к упору, тем самым обеспечивая постоянство исходного положения клапана. Кроме того, давление в подкла-панном объеме, передаваясь через резиновые шайбы (9) к манжетам, создает дополнительное уплотняющее усилие.
Система резиновых колец (13) способствует предварительному закрытию клапана после его срабатывания, а также в тех случаях, когда давление в инжекторе отсутствует. Резиновый "демпфер" (3) служит для предотвращения повреждений клапана при максимальном ходе.
Калориметрические и пьезоэлектрические измерения
В момент выхода токовой оболочки на торец электродов на оси системы перед внутренним электродом образуется плотное плазменное образование - "плазменный фокус" /39/. Процесс его формирования влияет на параметры плазменного потока; кроме того, "плазменный фокус" в различных его модификациях, традиционно рассматривается как интенсивный источник проникающих излучений. В связи с этим проводились измерения как параметров плазмы, так и потоков рентгеновского и нейтронного излучения из этой зоны /90/.
Интегральным методом (см.4,9) определялась зависимость (рис.41) нейтронного выхода (JY от энергии конденсаторной бата реи для двух значений времени Ьо задержки между открытием кла пана импульсной подачи газа в ускорительный промежуток и пода чей напряжения на электроды. В оптимальном по количествугазаслу чае ( Ь = 365 мкс) . Кривые построены по точ кам, полученным в результате усреднения по нескольким разрядам. Нейтронный выход изменяется от разряда к разряду в 2-4 раза. В отдельных экспериментах результаты отличаются от среднего значения почти в 10 раз. Так, например, средний выход при напряжении на конденсаторной батарее 25 кВ ( W6 = 160 кДж) равен 5-Ю нейтронов за разряд. Максимальный выход при этой энергии превышает 10 нейтронов. В то же время в некоторых случах наблюдается вы Q ход 10 нейтронов. При больших энерговкладах нейтронный выход более чувствителен к режиму ускорения.
Нейтронное излучение появляется спустя 0,1-0,3 мкс после пика напряжения на осциллограммах. Полуширина нейтронного импульса составляет 0,3-0,9 мкс, что сопоставимо с временем пролета токовой оболочкой района фокуса. Рассогласование батареи (уменьшение энергии плазменной оболочки) приводит к уменьшению нейтронного выхода (рис.41), длительность импульса также сокращается. Место локализации плазменного фокуса, а также оценка его температуры определялись по мягкому рентгеновскому излучению (см.4.9). Изображение зоны фокуса, снятое в свете рентгеновских лучей за один выстрел, приведено на рис.42. На осциллограммах рентгеновского сигнала, как правило, наблюдаются несколько всплесков, хорошо коррелирующих с всплесками напряжения. Эти вспышки рентгена могут быть связаны с неустойчивым характером течения плазмы в зоне фокуса (многократное пинчевание или прохождение отдельных замкнутых токовых вихрей). Коллиматор, направленный в точку, находящуюся на расстоянии 50 мм от оси системы, регистрирует один импульс рентгеновского излучения значительно меньшей интенсивности, который наТ 0,2 мкс опережает сигнал из зоны фокуса. Источником этого излучения является плотная плазменная оболочка с током. Оценки эффективной электронной температуры дают значение Те Ю0 эВ. При П-Ю22м"3 и -Ю""6 с. \ и 1 успевают выравниваться. Поэтому наблюдаемые нейтроны вряд ж имеют термоя - 119 Г=3б5лисс дерное происхождение. В заключение следует отметить, что ускоритель оптимизировался в плане получения плазменных сгустков с максимальной направленной энергией и никаких специальных мер по повышению эффективности плазменного фокуса как источника излучений не предпринималось.
Ниже будут изложены некоторые экспериментальные результаты, полученные на установке МК-200, с целью проверки работоспособности электродинамической модели ускорения в широком диапазоне начальных условий. Основное внимание при этом уделялось исследованию возможности достижения больших скоростей потока, а, следовательно, при заданной энергетике, ускорению уменьшенного количества частиц. Тем самым предпринималась попытка поиска условий, в которых, с одной стороны, выполняются предположения расчетной модели, а с другой стороны скорость потока на заданном уровне энергетики оказывается максимальной. При наличии таких данных проектирование ускорителей с заданными выходными параметрами становится несложной расчетной задачей.
Попытки получить скорость V = 10 м/с и выше за счет уменьшения количества ускоряемого вещества предпринимались на установке МК-200 для различных конфигураций электродных систем. Величины достигнутых скоростей оказались ниже 10 м/с, Так для электродной системы рис.25 предельной являлась величина "U -2#I0 м/с, на электродах рис.24 средняя скорость была увеличена до (5-гбЫО м/с, далее ее рост (при уменьшении массы газа) фактически прекращался.
