Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ 30
1.1. Ускоритель МК-200 30
1.2. Плазмопровод 31
1.3. Методы измерений 33
1.3.1. Измерение разрядного тока и напряжения на электродах 33
1.3.2. Зондовые измерения 34
1.3.3. Оптическая интерферометрия 35
1.3.4. Измерения электронной температуры 37
1.3.5. Нейтронные измерения 38
1.3.6. Спектральные методы измерений 42
1.3.7. Энергетические измерения 45
Глава П. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОШ УСКОРИТЕЛЯ. ТРАНСПОРТИРОВКА ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ В ПРОДОЛЬНОМ ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ 50
2.1. Сравнение режимов работы ускорителей 50
2.2. Основные параметры плазменных потоков и их изменение в процессе транспортировки 56
2.3. Эффективность транспортировки потоков плазмы
в продольном однородном магнитном поле 59
Заключение 61
Глава III. ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ ВСТРЕЧНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ В ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ 63
3.1. Взаимодействие встречных потоков дейтериевой плазмы 63
3..I.I. Термализация направленной энергии потоков и образование высокотемпературной плазмы 63
3.1.2. Температура плазмы 67
3.1.3. Измерение турбулентных полей в зоне столкновения потоков 69
3.1.4. Динамика взаимодействия потоков 71
3.2. Столкновение потоков дейтериевой и водородной плазмы 73
3.3. Время жизни плазмы 75
3.4. Нейтронный выход 81
3.5. Обсуждение экспериментальных результатов . 81
Заключение 84
Глава ІУ. СТОЛКНОВЕНИЕ ПОТОКОВ ПЛАЗМЫ С ПОВЫШЕННЫМ ЭНЕРГОСОДЕРЖАНИЕМ 86
Предварительные замечания 86
4.1. Модернизация ускорителя 87
4.2. Параметры плазменных потоков модернизированного ускорителя 88
4.3. Исследование характеристик ускорителя с емкостным накопителем энергии при CQ * 1152 мкФ 92
4.4 Столкновение плазменных потоков 95
Заключение 97
Глава У. ВЛИЯНИЕ МАГНИТНЫХ ПРОБОК НА УДЕРЖАНИЕ ВЫСОКО ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ 98
Предварительные замечания 98
5.1. Экспериментальная установка 99
5.2. Экспериментальные результаты и их обсуждение 100 Заключение 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
ЛИТЕРАТУРА
- Ускоритель МК-200
- Сравнение режимов работы ускорителей
- Взаимодействие встречных потоков дейтериевой плазмы
- Модернизация ускорителя
- Экспериментальная установка
Ускоритель МК-200
Исследования процессов транспортировки и взаимодействия встречных плазменных потоков проводились на экспериментальном комплексе 2МК-200 /78/. Он включал в себя (рис.2) два коаксиальных электродинамических ускорителя плазмы (I) с импульсным напуском газа и плазмопровод (2) с продольным однородным магнитным полем.
Электродная система ускорителей МК-200 состояла из двух коаксиальных профилированных медных электродов (рис.3). Внешний электрод (анод), длиной 670 мм, был изготовлен из 24 медных прутков диаметром 10 мм. Сплошной внутренний электрод имел форму усеченного конуса длиной 500 мм. Диаметр катода у основания 220 мм, на выходе - 40 мм. Электроды разделялись кольцевым изолятором из органического стекла. Он располагался в специальной нише и был защищен от прямого воздействия светового излучения разряда.
Импульсный напуск рабочего газа (дейтерия, водорода) в межэлектродный зазор ускорителя осуществлялся с помощью быстродействующего электродинамического клапана /79/, расположенного у основа-ния катода. Подклепанный объем составлял 20 см , давление газа в нем 100 атм. Время полного открывания клапана не превышало 100 мкс. Газ инжектировался в зазор ускорителя через 16 радиальных каналов прямоугольного сечения, расположенных в катоде на расстоянии 120 мм от основания.
Ускоритель запитывался от конденсаторной батареи емкостью 720 мкФ. В качестве коммутирующих элементов использовались 6 дисковых вакуумных разрядников /80-82/. Рабочее напряжение в ходе эксперимента варьировалось от 13 до 25 кВ, что соответствовало изменению энергии, запасенной в конденсаторной батарее, от 60 до 225 кДж. Начальная индуктивность разрядного контура составляла 40 нГ.
Процесе формирования плазменных потоков осуществлялся следующим образом. Сначала срабатывал электродинамический клапан,и нейтральный газ инжектировался в межэлектродный зазор. Спустя 200 т 400 мке на электроды ускорителя подавалось высокое напряжение. Газ ионизовался. На задней границе газового распределения формировался сравнительно узкий токовый слой, который с ростом разрядного тока начинал двигаться с ускорением, вовлекая в движение всю плазму.
Масса нейтрального газа в канале ускорителя к началу разрядного тока определялась временем задержки Ц. между срабатыванием импульсного газового клапана и подачей напряжения на электроды ускорителя. Изменением времени f» и рабочего напряжения U0 параметры потоков, генерируемых ускорителем, варьировались в широких пределах.
Особенностью ускорителя МК-200 являлись профилированные электроды с нарастающей по длине погонной индуктивностью. Профиль электродов определялся из численного решения многопараметрической задачи по согласованию характеристик ускорителя с емкостным накопителем энергии /83/# Как показано в /I,84-86/, выбранный профиль электродов позволял реализовывать режимы работы ускорителя с большой направленной скоростью потоков и высокой эффективностью преобразования энергии накопителя в кинетическую энергию плазмы.
Сравнение режимов работы ускорителей
В экспериментах по инжектированию плазмы в продольное магнитное поле /85/ обнаружились два характерных режима работы ускорителя, отличающихся по эффективности ввода плазмы в магнитное поле. В первом режиме эффективность ввода приближалась к 100%, а на осциллограммах разрядного тока и напряжения не наблюдалось так называемых "особенностей". В другом режиме на токе разряда появлялась "особенность" и эффективность заметно уменьшалась. При неизменной массе нейтрального газа в межэлектродном зазоре переход из одного режима в другой осуществлялся путем увеличения рабочего напряжения UQ , а при постоянном UQ уменьшением времени задержки Ь і между срабатыванием импульсного газового клапана и подачей напряжения на электроды ускорителя. Необходимость перехода к режимам с "особенностью" обычно диктовалась желанием достичь максимальной скорости потока. В данном случае наблюдаемое снижение эффективности ввода плазмы могло быть обусловлено как процессами, происходящими в самом ускорителе, так и взаимодействием потока с магнитным полем при входе в плазмопровод.
С помощью кадровой оптической интерферометрии с временным разрешением 3 не были проведены измерения в межэлектродном канале ускорителя с целью детального сравнения режимов и выяснения причин снижения эффективности ввода потока в плазмопровод. Измерения проводились в двух режимах работы ускорителей: режиме без "особенности" и режиме с "особенностью". При неизменном напряжении на электродах UQ в ІЗ кВ режимы отличались лишь начальным распределением нейтрального газа в зазоре, что достигалось изменением времени задержки In . В качестве рабочего газа использовался водород.
Взаимодействие встречных потоков дейтериевой плазмы
При исследовании взаимодействия плазменных потоков запуск ускорителей осуществлялся одновременно,и столкновение потоков происходило в центральном сечении плазмопровода на расстоянии 5 м от обоих ускорителей. Одновременность прихода сгустков контролировалась по сигналам пристеночных магнитных зондов, расположенных симметрично относительно центральной плоскости.
Основным экспериментальным результатом проведенного исследования явился тот факт, что независимо от режима работы ускорителей и напряженности магнитного поля наблюдалось сильное взаимодействие потоков. Во всех режимах величина вытесненного плазмой магнитного поля в центральном сечении лайнера при столкновении потоков А и в 4 -г 10 раз превышала величину AD. от отдельных сгустков. Это свидетельствовадо об эффективной термализации направленной энергии плазменных сгустков при их встречном взаимодействии. Следует отметить, что если бы сгустки свободно проникали сквозь друг друга, диамагнитный сигнал возрастал бы не более, чем в 2 раза.
Рассмотрим конкретный пример: столкновение потоков в режиме Un = 20 кВ, UQ « 6,4 кГс. В этом случае величина поля, вытесненного плазмой, возрастала в 6 раз с До. = 300 Гс, до 0,,= 2 кГс (рис. 20). Площадь поперечного сечения плазменного образования увеличивалась в 5 раз с р. = 35 см в отдельном потоке до ц = 170см в зоне столкновения. Так как в результате взаимодействия плазменных струй плотность плазмы может возрасти не более, чем в 4 раза (случай сильной ударной волны /103/), то наблюдаемое расширение плазмы должно приводить к уменьшению плотности.
Модернизация ускорителя
Для согласования времени разгона токовой оболочки в канале ускорителя с временем вывода энергии из накопителя длина электродной системы была увеличена с 50 см до 150 см. Диаметры внешнего и внутреннего электродов остались неизменными и составляли соответственно 300 мм и 220 мм. Внешний электрод-анод был изготовлен из 24 медных полос сечением 10 х 25 мм . Сплошной внутренний электрод имел 16 радиальных каналов для напуска рабочего газа в межэлектродный зазор. По сравнению с предыдущим ускорителем расстояние от изолятора до места напуска газа было увеличено до 200 мм. Это позволило повысить массу нейтрального газа в ускорительном канале к началу разрядного тока и, соответственно, улучшить согласование ускорителя с накопителем энергии. Внешняя часть разрядного контура (вакуумные разрядники, конденсаторная батарея, подводящие кабели) осталась неизменной. Была переработана лишь конструкция сборной шины ускорителя. В результате, паразитная индуктивность контура снизилась и время нарастания тока уменьшилось до 6 мкс.
Экспериментальная установка
Схема экспериментального стенда приведена на рис.45. Он состоял из двух модернизированных плазменных ускорителей, системы транспортировки плазмы и собственно магнитной ловушки. Ускорители устанавливались на расстоянии 7 м навстречу друг другу. Их камеры соединялись тонкостенным металлическим лайнером диаметром 30 см, в котором с помощью системы многовитковых соленоидов создавалось квазистационарное профилированное магнитное поле. Конфигурация магнитного поля в центральной части установки представляла собой аксиально-симметричную ловушку пробочной конфигурации длиной 2 м (рис.46). Величина вакуумного поля в пробках составляла D(0) Г)(0) Dnp = 14,4 кГс, а в центре ловушки не превышала D = 12,бкГс. От ускорителя до ловушки плазменные потоки транспортировались на расстояние 2,5 м в продольном магнитном поле DTp »7,2 кГс и инжектировались в ловушку через стационарные магнитные барьеры. Плазма в ловушке создавалась столкновением встречных потоков.
Для заполнения ловушки высокотемпературной плазмой был выбран -определенный режим работы ускорителей. Рабочее напряжение на электродах составляло и0 = 20 кВ. При больших значениях U магнитное поле в ловушке D 4-12,6 кГс не обеспечивало поперечной термоизоляции плазмы (рис.42).
