Введение к работе
Актуальность темы.
Изучение фундаментальных свойств материи при высокой плотности энергии в диапазоне 105–106 Дж/см3 связано не только стремлением к достижению в лабораторных условиях управляемого инерционного термоядерного синтеза (ИТС) с большим усилением как практически неисчерпаемого источника энергии, но и потребностью развития знаний о происхождении Вселенной и звезд. В настоящее время для создания в веществе высокой плотности энергии используется пространственная концентрация потоков энергии, генерируемых мощными источниками энергии – энергетическими драйверами. В середине 90-х годов 20 века в СССР и США на основе развития технологии электрических генераторов высокой импульсной мощности была высказана идея такого драйвера: создание мощного источника рентгеновского излучения на базе Z-пинчевого разряда с применением многомодульных ускорительных комплексов.
В ГНЦ РФ ТРИНИТИ – это установка “Ангара-5-1” с током до 5 МА и в корпорации “Сандия” (США) – установка “PBFA+Z” с током до 19 МА, которая в настоящее время перестроена в установку ZR с пиковым током до 26 МА.
Последующие исследования по сжатию многопроволочных сборок в режиме излучающего Z-пинча вывели эти установки в лидеры по выходной мощности наносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения (МРИ). Уровень энергии импульсов МРИ на установке “Z” достиг мегаджоульного диапазона, а мощность импульса МРИ достигла сотен тераватт. После модернизации установки ZR (пиковый ток I=26 МА, время нарастания тока t=100 нс) на ней были получены импульсы МРИ длительностью несколько наносекунд (< 6 нс), мощностью до 350-450 ТВт и энергией порядка 2-2.2 МДж. Дальнейшее развитие подобного источника рентгеновских импульсов, названного Z-пинчевым драйвером для ИТС, связывается с созданием установок с током до 60 МА, генерирующих ~1020
МДж МРИ мощностью свыше 1000 ТВт в импульсе. Как показывают расчеты, эти параметры достаточны для инициирования термоядерных реакций. Такие проекты разрабатываются в РФ – установка “Байкал” и в США – установка “Z800”.
Токи такого диапазона находятся на грани технически возможных величин, поэтому исключительно важно понимание закономерностей поведения высокотемпературной плазмы Z-пинча. В частности, зависимости энергии и мощности рентгеновского излучения от тока для оптимального выбора технических характеристик проектируемых установок и нагрузок для них. Это позволит с меньшими затратами достичь требуемых параметров высокотемпературной плазмы для достижения термоядерных реакций.
При исследовании имплозии многопроволочных сборок было выяснено, что процесс имплозии многопроволочной сборки существенно отличается от сжатия тонкой оболочки и при моделировании должен учитываться её трехмерный характер. Эксперименты показали, что скейлинг мощности и энергии рентгеновского излучения Z-пинча от пикового тока слабее квадратичного, как должно быть в модели тонкой оболочки, и более слабая зависимость обусловлена наличием «отставшей» массы – плазмы из материала проволок, которая в момент максимума импульса рентгеновского излучения Z-пинча находится между начальным положением проволоуи осью нагрузки. Это означает, что такой характер зависимости повышает токи генератора, требуемые для получения необходимых параметров импульса МРИ. Были предложены способы уменьшения «отставшей» массы, связанные с укорочением времени имплозии и подавлением процесса абляции. С помощью одного из них удалось получить более сильную зависимость энергии и мощности излучения Z-пинча от пикового тока, близкую к квадратичной. Это означает, что при моделировании процесса имплозии должен учитываться её трехмерный характер, который определяет основные параметры рентгеновского излучения Z-пинча. Поэтому пространственно-временное распределение массы плазмы и источников
излучения в пинче играет важную роль и их исследование очень актуально для проверки и усовершенствования кодов РМГД моделирования и для проектов мультимегаамперных установок нового поколения.
Цели и задачи диссертационной работы. Цели диссертационной работы.
Исследование динамики излучения, механизма и локализации
генерации «жесткого» (>20 кэВ) рентгеновского излучения при
имплозии многопроволочных сборок,
Изучение пространственного и спектрального распределения мягкого
рентгеновского излучения для конусных и цилиндрических сборок,
Создание квазисферических лайнеров разного состава, в том числе и
сборок с профилированной массой, изучение динамики трехмерной
имплозии вещества при их сжатии, и сравнение полученных данных с
результатами моделирования с помощью трехмерного радиационно-
магнитогидродинамического кода.
Эти задачи решались с помощью модификации известных и
применением новых диагностических средств, разработкой новых, нестандартных типов нагрузок.
Научная новизна работы.
Впервые представлены основные пространственно-временные
характеристики «жесткого» рентгеновского излучения Z-пинча,
полученного при имплозии многопроволочных сборок.
Разработана технология изготовления квазисферических
проволочных лайнеров (КПЛ), в том числе квазисферического
лайнера с профилированной массой из разных веществ.
Обнаружен «зиппер-эффект» при сжатии квазисферических
проволочных сборок. Предложен и использован способ
компенсации «зиппер-эффекта» за счет исходной формы лайнера в
виде «обратного» конуса (разных диаметров на аноде и катоде).
Впервые в опытах с КПЛ из металлизированных алюминием капроновых волокон получена экспериментальная оценка отношения энергии МРИ к величине кинетической энергии алюминия при имплозии Емр/Ек =2.6±0.3.
Впервые получено увеличение плотности мощности МРИ на поверхности Z-пинча при имплозии профилированного по массе КПЛ до -1.5 ТВт/см2 по сравнению с -0.5 ТВт/см2 для цилиндрических проволочных лайнеров (ЦПЛ) с аналогичными параметрами при одинаковом токе до 3.5 МА.
Создана методика измерения диаметра излучающей области от длины волны из ВУФ спектров с радиальным разрешением.
Впервые получены спектры излучения «отставшей» массы Z-пинча.
Научная и практическая значимость.
Проведенные эксперименты позволили выяснить механизм образования изображений в ЖР и показали возможность их использования для визуализации в Z-пинчах областей с высокой плотностью ионов.
Был исследован зиппер-эффект в лайнерах разного типа и предложен механизм его компенсации.
Предложен и апробирован оригинальный метод изготовления квазисферических лайнеров.
Показано, что переход от цилиндрических к квазисферическим сборкам увеличивает плотность мощности МРИ на поверхности Z-пинча в ~3 раза.
Полученные результаты могут быть использованы при проверке расчетных кодов, при проектировании новых установок для генерации мощного импульсного рентгеновского излучения в драйверах ИТС и других приложений.
На защиту выносятся следующие результаты:
б
-
Исследование генерации жесткого рентгена с энергией квантов свыше 20 кэВ (ЖР) при имплозии проволочных лайнеров различных типов. Обнаружено, что генерация ЖР происходит как правило, на несколько нс позже пика МРИ. При этом в случае имплозии цилиндрических и конических проволочных лайнеров из вольфрама зарегистрировано, что появление эмиссии ЖР коррелирует во времени с образованием у катода неизлучающей в МРИ области (> 100 эВ).
-
Контроль направления зипперинга плазмы, регулирование пространственно-временных и энергетических характеристик рентгеновской эмиссии пинча, в частности изменение мощности выходного импульса МРИ и ЖР при имплозии конических проволочных лайнеров.
-
Методика изготовления квазисферических проволочных лайнеров с профилированием массы разными материалами.
-
Впервые получено 3-х мерное сжатие квазисферического лайнера с профилированной массой и увеличение при этом плотности потока мощности МРИ на поверхности пинча до -1.5 ТВт/см2 по сравнению с -0.5 ТВт/см2 для цилиндрических проволочных лайнеров (ЦПЛ) с аналогичными параметрами при одинаковом токе до 3.5 МА.
-
Метод изготовления квазисферических лайнеров для формирования импульсов МРИ требуемой формы и длительности при помощи нанесения материалов на капроновые волокна за счет варьирования массы, материала и области напыления. Получена экспериментальная оценка отношения энергии РИ к величине кинетической энергии.
ЕМР1Ек=2.6±03
6. Исследование пространственного распределения спектральной
плотности энергии (СПЭ) излучения Z-пинча квазисферической
проволочной сборки, что позволило обнаружить изменение структуры
спектра МРИ для центральной области КПЛ по сравнению с ЦПЛ: его
смещение в область с более высокими энергиями квантов и увеличение
спектральной яркости в диапазоне 100 -220 эВ. 7. Методика измерения диаметра излучающей области от длины волны из
ВУФ спектров с радиальным разрешением.
Достоверность и обоснованность результатов.
Результаты диссертационной работы основаны на большом объеме экспериментальной информации, полученной с помощью полного набора диагностических методик установки Ангара-5-1. Они также подтверждены результатами численного моделирования.
Экспериментальная информация о пространственно-временных характеристиках имплозии многопроволочных сборок получена с использованием различных независимых методов диагностики, что позволило провести перекрестную проверку точности и достоверности экспериментальных данных.
Методология решения задач диссертационной работы основана на сопоставлении экспериментальных данных с данными численного магнитно-гидродинамического моделирования имплозии многопроволочных сборок с переносом излучения. Важнейшие экспериментальные зависимости временного профиля мощности и энергии импульса МРИ от амплитуды разрядного тока и параметров сборок подтверждены результатами численного моделирования имплозии различных типов проволочных сборок, включая конусные, ЦПЛ- и КПЛ-сборки, что подтверждает достоверность экспериментальных данных и позволяет применять их для верификации подходов и предположений, использованных в расчетных моделях имплозии.
Личный вклад автора.
Основные результаты, представленные для защиты, получены автором лично или с его определяющим участием. Реализована схема получения
изображений пинча, измерения сигналов эмиссии жесткого рентгеновского излучения и исследован механизм их возникновения при имплозии многопроволочных сборок. Автором разработана методика создания квазисферических лайнеров, лично проведены эксперименты по исследованию имплозии квазисферических сборок, выполнена их обработка, анализ и интерпретация полученных результатов.
Апробация работы и публикации.
Достоверность представленных результатов работы подтверждена их своевременной публикацией в статьях, опубликованных в реферируемых журналах, и тезисах докладов, представленных на международных конференциях по физике плазмы и УТС.
Некоторые из важных результатов, полученных в работе, были подтверждены результатами, опубликованными в статьях исследовательских центров в РФ и за рубежом: в США, КНР и Великобритании.
Результаты работы докладывались и обсуждались на: Международных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, Звенигород, 2006–2015; Всероссийском семинаре по Z – пинчам (Москва, 2006); Международной конференции по импульсной технике и физике плазмы Альбукерк (США) 2007,
Международной конференции по плотным Z – пинчам: Александрия (США) 2008;
3-м Китайско-Российском Симпозиуме по объединенному эксперименту по Z-пинчам: Пекин (КНР) 2009;
Международных совещаниях по физике Z-пинчей многопроволочных сборок Скоттсдэйл (США) 2006, Бэтл (Англия) 2007, Сан-Диего (США) 2009; XIV Международном Симпозиуме “Нанофизика и Наноэлектроника” (г. Нижний Новгород, 15-19 марта 2010 г.);
Международной конференции по физике плазмы (ICOPS2015, Белек (Турция) 2015;
Международных конференциях по мощным импульсным пучкам заряженных
частиц (BEAMS, Оксфорд (Англия) 2006, Ченду (КНР) 2006, Сиань (КНР)
2008; Джеджу (Корея) 2010, Карлсруэ (Германия) 2012;
Международном Симпозиуме по Физике плазмы и технологии, Прага
(Чехия) 2012, 2014;
а также на семинарах ТРИНИТИ.
Публикации.
Результаты исследований изложены в 103 печатных трудах, среди которых 20 статей в рекомендованных ВАК периодических изданиях для диссертаций, 81 доклад на Международных и Российских симпозиумах и конференциях, два препринта. Статья "Об увеличении плотности энергии в плазме пинча при трехмерном сжатии квазисферических проволочных лайнеров" (Физика Плазмы, 2014, том 40, № 12, с. 1057–1073.) получила премию издательства МАИК-Интепериодика РАН за лучшую публикацию в журнале «Физика плазмы» в 2014 году.