Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА 1 22
1.1. ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1 22
1.2. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ПО ВРЕМЕНИ КАМЕРА-ОБСКУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ПЛАЗМЫ 28
1.2.1. Оптимизация параметров камеры-обскуры 28
1.2.2. Оценка энергии квантов, формирующих изображение 33
1.2.3. Отверстие, формирующее изображение 34
1.2.4. Регистратор рентгеновского излучения 35
1.3. КАЛИБРОВКА ФОТОПЛАСТИНОК ВР-П В ИЗЛУЧЕНИИ Z-ПИНЧА И ПЕРЕХОД ОТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОЧЕРНЕНИЯ К РАСПРЕДЕЛЕНИЮ ИНТЕГРАЛА ПО ВРЕМЕНИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЯРКОСТИ Z-ПИНЧА 36
1.3.1. Постановка эксперимента по калибровке фотопластинок. 36
1.3.2. "Серый"фильтр 39
1.3.3. Характеристические кривые 42
1.4. РАЗЛИЧНЫЕ ПОДХОДЫ К ИНТЕРПРЕТАЦИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ПО ВРЕМЕНИ ОБСКУРОГРАММ 45
1.5. РЕНТГЕНОВСКОЕ ПРОСВЕЧИВАНИЕ ПЕРИФЕРИЙНОЙ ОБЛАСТИ СЖИМАЕМОЙ ТОКОМ МНОГОПРОВОЛОЧНОЙ СБОРКИ НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1 49
1.5.1. Методика зондирования 51
1.5.2. Селекция излучения Х-пинча на фоне излучения Z-пинча 53
1.5.3. Точечный источник рентгеновского излучения -Х- пинч 54
1.5.3.1. Конструкция Х-пинча 54
1.5.3.2. Длительность вспышки, размер горячей точки Х-пинча 57
1.5.3.3. Протекание тока через Х-пинч при токовом сжатии многопроволочной сборки 57
1.5.3.4. Момент вспышки Х-пинча. Определение рабочего диапазона методики рентгеновского зондирования 59
1.5.3.5. Результаты измерения мощности рентгеновского излучения Х-пинча и восстановления его спектра 60
1.5.4. Постановка эксперимента по зондированию периферийной области многопроволочных сборок 62
1.5.4.1. Схема эксперимента 62
1.5.4.2. Детектор рентгеновского излучения - фотопленка 64
1.5.4.3. Ступенчатый ослабитель для рентгеновского зондирования 67
1.5.4.4. Пространственная разрешающая способность метода 67
1.6.0 ПОГРЕШНОСТЯХ ИЗМЕРЕНИЙ 70
1.6.1. Ошибки измерения интеграла по времени энергетической яркости Z-пинча 71
1.6.2. Ошибки измерения плотности плазмы внутри многопроволочной сборки при просвечивании плазмы излучением Х-пинча 73
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 76
2.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОВОГО СЖАТИЯ ОДИНОЧНОЙ МНОГОПРОВОЛОЧНОЙ СБОРКИ 77
2.1.1. Взрыв проволок сборки и снос плазмы с кернов проволок 79
2.1.2. Внутренняя структура керна 89
2.1.3. Стадия сжатия плазмы на ось 92
2.1.4. Сжатое состояние Z-пинча 98
2.1.5. Прикатодная плазма 101
2.1.6. Неоднородность плотности плазмы внутри Z-пинча 103
2.2. ИССЛЕДОВАНИЕ токового СЖАТИЯ ВЛОЖЕННОЙ МНОГОПРОВОЛОЧНОЙ СБОРКИ 108
2.2.1. Взрыв проволок и взаимодействие плазмы внешнего каскада с
внутренней сборкой 109
2.2.2. Исследования распределения интеграла по времени энергетической яркости при токовом сжатии двойных многопроволочных сборок. 116
2.2.3. Связь плазменных сгустков с наличием горячих точек в пинке 119
2.3. ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 121
2.3.1. Токовое сжатие многопроволочной сборки как "радиальный плазменный ливень". 121
2.3.2. Токовое сжатие вложенной многопроволочной сборки 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1
- ИНТЕГРАЛЬНАЯ ПО ВРЕМЕНИ КАМЕРА-ОБСКУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ПЛАЗМЫ
- ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОВОГО СЖАТИЯ ОДИНОЧНОЙ МНОГОПРОВОЛОЧНОЙ СБОРКИ
Введение к работе
Более 40 лет назад получили развитие высоковольтные наносекундные генераторы, используемые для генерации мощных пучков релятивистских электронов (РЭП) с токами от 10 кА, длительностью от 10 не и энергией электронов 0.1-10 Мэв [1, 2]. Такие электронные пучки использовались, например, для получения мощных импульсов тормозного излучения [3]. В конце 60-х годов прошлого столетия было предложено применять мощные РЭП для зажигания термоядерного горючего в инерциально удерживаемой плазме [4]. Позднее появилась идея концентрации энергии на термоядерной мишени с помощью пучка легких ионов [5]. Крупнейшими установками, работавшими в этом направлении, были PBFA-1 и PBFA-2 с токами 10 и 20 МА, длительностью импульса 40 не. В СССР в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова с 1975 года велись работы по созданию термоядерного ускорителя Ангара-5 [6], предназначенного для исследований в области инерциального термоядерного синтеза. В 1983 году состоялся первый экспериментальный пуск установки Ангара-5-1. На перечисленных выше установках, а так же на некоторых других, с 80-х годов ведутся исследования, связанные с возможностью зажигания термоядерного топлива путем передачи на мишень энергии разогнанной магнитным полем плазменной оболочки (лайнера) [7]. В качестве лайнера может быть полая газовая струя [8, 9], тонкая металлическая фольга [10], столбик пены (например, из агар-агара [11]) с различными добавками, каскада проволочек [12, 13]. Под действием мощного импульса мягкого рентгеновского излучения (МРИ), формирующегося при схлопывании лайнера, должна происходить абляция внешней поверхности сферы с заключенным в ней термоядерным топливом, и сфера должна сжиматься. Предполагалось, что сжатие сферы с топливом должно происходить адиабатически и топливо нагреется до температуры зажигания. Забегая вперед, отметим, что такие эксперименты в настоящее время были проведены на установке Z (Sandia, США) при токе 18 МА и был получен выход
6 термоядерных нейтронов 2*10 [14]. Исходя из современных представлений, для зажигания термоядерного горючего мишени требуется импульс МРИ мощностью от 1000 ТВт и энергией от 10 МДж [15]. Эти параметры МРИ могут быть достигнуты на проектируемых установках «Байкал» (Россия) и «Х-1» (США) с разрядным током 50-60 МА и длительностью импульса 100-200 не.
На сильноточных высоковольтных установках (Z, Saturn) с нагрузкой на основе многопроволочных лайнеров [16, 17] в последние годы достигнуты значительные результаты по генерации мощных рентгеновских импульсов. Мощный импульс МРИ в таких установках возникает на финальной стадии токового сжатия цилиндрических проволочных сборок (одиночных или вложенных). В лаборатории Sandia на установке Z [17] при пропускании тока 20 МА за время 105 не через цилиндрический многопроволочный лайнер длиной 2 см, диаметром 4 см, состоящий из 240 вольфрамовых 7-ми микронных проволочек при схлопывании на ось был получен импульс МРИ мощностью более 180 ТВт и длительностью 5.5 не. Мощность МРИ по сравнению с электрической мощностью, вложенной в лайнер, увеличилась примерно в 3 раза. Достигнутые результаты активизировали исследования в области инерциального направления УТС на Z-пинчевых установках. Как было отмечено, для получения зажигания термоядерного горючего необходимо иметь ток 50-60 МА с длительностью 100-200 не. В настоящий момент таких установок нет, они только проектируются. Исследовать же физику токового сжатия многопроволочного лайнера и генерации мощного импульса МРИ, оптимизировать параметры этого процесса оказалось возможно и на более дешевых, меньших по энергетике установках, типа Ангара-5-1 [6], MAGPIE (1.4 МА, 240 не, «Империал колледж», Англия) [18]. Итак, во второй половине 80-х годов на установке Ангара-5-1 начались активные исследования физических процессов токового сжатия многопроволочных сборок.
Более компактное сжатие многопроволочных сборок из материалов с большим атомным номером по сравнению со сжатием подобных газовых лайнеров [19, 8] пробудило интерес многих научных коллективов к изучению процессов плазмообразования, сжатия и излучения в процессе имплозии многопроволочных сборок. Успех в получении рекордных мощностей импульса МРИ был достигнут за счет использования многопроволочных сборок с малым межпроволочным расстоянием. Для установки Z этот параметр составляет около 300 мкм. Такого же порядка межпроволочное расстояние может устанавливаться в многопроволочных сборках, используемых в качестве согласованной нагрузки на ускорителе Ангара-5-1. При пропускании по такой нагрузке с погонной массой около 300 мкг/см мегаамперного тока, на оси формируется Z-пинч диаметром около 1 мм и высотой 1 см. Параметры плазмы Z-пинча: п~1020-ь1021 см'3, Те~100 эВ.
Во многих публикациях [20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29], в которых объяснялись высокая степень сжатия, компактность схлопывания и выход рентгеновского излучения при имплозии многопроволочных и других лайнеров, говорилось о достаточно быстром образовании тонкой сплошной цилиндрической плазменной оболочки. В случае проволочного лайнера, оболочка образуется за счет взрыва проволок лайнера и заполнения плазмой всего пространства между проволоками. В дальнейшем, плазменная оболочка под действием магнитного давления компактно и симметрично должна схлопываться на ось. Детальное рассмотрение зависимости выхода рентгеновского излучения от параметров генератора и нагрузки представлено в работах [20, 21]. В перечисленных работах приводится одномерное численное моделирование процесса токового сжатия лайнера при решении уравнения радиационной гидродинамики. В двухуровневой модели [22] считается уравнение баланса энергии, из которого получается условие равновесия, близкое по форме к уравнению Беннета в приближении малости излучения. Из уравнения баланса выражается плотность и подставляется в эмпирическую зависимость выхода излучения от температуры, плотности, радиуса Z-пинча и атомным номером вещества. В данной работе приведены сравнения теоретических оценок с результатами экспериментов по сжатию многопроволочных лайнеров на установке Saturn, а так же газовых лайнеров на установке Hawk. В работе [30] отмечается, что вышеперечисленные модели дают достаточно хорошую оценку оптимального отношения кинетической энергии к массе лайнера и соответствующего выхода МРИ. Там же отмечается, что достаточное совпадение эксперимента с результатами численного моделирования процесса имплозии наблюдается при начальном радиусе лайнера до 2.5 см и временем имплозии не более 100 не. При больших радиусах лайнера или времени имплозии расхождение эксперимента с расчетом по описанным моделям существенно. Данное расхождение связывается с тем, что модели рассматривают одномерное сжатие идеальной оболочки и не учитывают развитие неустойчивостей во время имплозии лайнера. Неустойчивости различного типа теоретически изучались в большом количестве работ. Наиболее опасной для тонкой плазменной оболочки, сжимаемой азимутальным магнитным полем, считается Релей-Тейлоровская неустойчивость. Она разрушает оболочку в .аксиальном и радиальном направлениях, прогрессируя во времени.
Для подавления Релей-Тейлоровской неустойчивости, а так же стабилизации имплозии лайнеров вообще в [31] предлагалось использование стабилизирующего аксиального магнитного поля, в [32] - механизма «снежного плуга» для стабилизации оболочки конечной толщины. Эффективность второго механизма заметна при длине волны возмущений б льших толщины оболочки. В [33] отмечается, что хороших стабилизирующих оболочку результатов можно добиться используя многокаскадные лайнеры. В этом случае при столкновении оболочек происходит торможение и стабилизация налетающей оболочки.
Как будет показано далее, концепция тонкостенной оболочки (в том числе разрушаемой Релей-Тейлоровской неустойчивостью) для многопроволочных сборок не вполне соответствует реальности.
На момент начала работы над диссертацией было известно, что многопроволочные сборки дают более компактное сжатие по сравнению, например, с газовыми лайнерами, несмотря на их большую неоднородность по массе в азимутальном направлении. Как было сказано выше, практически все научные коллективы, занимающимися многопроволочными лайнерами, считали, что токовое сжатие таких нагрузок идет по сценарию схлопывания на ось тонкой сплошной плазменной оболочки. Коллективом установки Ангара-5-1 разрабатывался другой подход к описанию физики токового сжатия многопроволочных сборок. Уже в первых экспериментах на Ангаре в 1986г., было получено, что сжатие проволочных лайнеров носит характер постепенного перетекания вещества к оси сборки со скоростями ~3-107 см/с, проволоки лайнера большую часть времени разряда находятся в своем первоначальном положении, на оси сборки появляется плазменный предвестник [34, 35], летящая на ось плазма является токонесущей. В работах 1989 - 90 г [36, 12] было показано, что основным фактором, который необходимо учитывать при исследованиях многопроволочных нагрузок является длительное, по сравнению со всем временем разряда, производство плазмы из плазмообразующего вещества. Теоретическая модель длительного плазмообразования представлена в [37].
Кратко опишем сценарий токового сжатия многопроволочной сборки. Проволоки сборки, пропустив через себя некоторый ток в течение нескольких наносекунд, образуют на своей поверхности корону из малоплотной хорошо проводящей электрический ток плазмы [38]. Далее, проволочная сборка становится гетерогенной. Она состоит из горячей плазмы, несущей основной ток и относительно холодных кернов - продуктов взрыва проволок сборки. Керны проволок, обладающие большим сопротивлением, не переносят электрический ток, а дальнейшее производство плазмы из них осуществляется за счет вложенной в проволоки за первые наносекунды энергии и потоков тепла из горячей плазмы,' которая окружает каждый керн.
Плотные керны значительную часть времени разряда остаются на своем первоначальном месте, генерируя плазму, которая частично сносится на ось сборки под действием объемной силы Ампера. После сноса очередной порции плазмы на ось из керна поставляется следующая порция вещества, перехватывающая на себя некоторую долю тока. Таким образом устанавливается непрерывный поток плазмы с периферии сборки на ось, сохраняющийся все время токового сжатия сборки. При этом плазма уносит с собой на ось вмороженное в нее магнитное поле.
Несмотря на кажущуюся хаотичность, значительную длительность процессов плазмообразования и сжатия плазмы, на оси формируется излучающий в мягком рентгене Z-пинч с рекордными параметрами.
В рамках разрабатываемой модели затянутого плазмообразования из многопроволочных сборок оставался нерешенным ряд проблем. А именно, какая же доля вещества многопроволочной сборки и сколь долго остается на периферии сборки, а какая ее часть сносится на ось? Каково распределение плотности вещества на периферии сборки и как оно меняется во время токового сжатия сборки? Как долго существуют плотные керны проволок сборки, какова скорость их расширения, насколько равномерно они испаряются; насколько неоднородно, происходит снос плазмы с периферии на ось сборки. Оставался также открытым вопрос о взаимодействии плазмы внешней сборки с внутренним каскадом при имплозии вложенных многопроволочных сборок. Важнейшим вопросом в изучении токового сжатия многопроволочных сборок были вопросы о пространственном распределении энергетической яркости Z-пинча и его визуализации с высоким пространственным разрешением в интересующей спектральной области (100 - 1000 эВ).
Цель работы заключалась в: экспериментальном исследовании динамики сжатия одиночных многопроволочных сборок из вольфрамовых проволочек, а также двухкаскадных нагрузок, состоящих из двух коаксиально вложенных сборок. Последний вопрос особенно важен, так как в экспериментах с каскадными нагрузками зарегистрированы более высокие выходы МРИ по
11 сравнению с одиночными. Ставились задачи а) измерить количество вещества, которое сосредоточенно на периферии одиночной сборки и на внутреннем каскаде вложенной сборки при пропускании через них мегаамперных токов; б) исследовать пространственное распределение энергетической яркости Z-пинча. При этом необходимо было понять физику взаимодействия плазмы внешнего каскада с внутренним, которые в концепции «затянутого плазмообразования» являются практически прозрачными друг для друга с гидродинамической точки зрения [37].
Актуальность диссертационной работы состоит в важности исследуемого явления - токового сжатия многопроволочных сборок - для различных направлений науки. Рентгеновский импульс большой энергии, короткой длительности и высокой мощности, получаемый в лабораторных условиях при этом процессе может быть использован при обжатии термоядерной мишени для достижения условий зажигания, в исследованиях по взаимодействию с веществом и генерации ударных волн [39], для накачки рентгеновского лазера [40], в рентгеновской микролитографии [41].
Настоящая работа направлена на исследование распределения плотности вещества с высоким временным и пространственным разрешением внутри одиночных и вложенных многопроволочных сборок в процессе токового сжатия на установке Ангара-5-1. Также исследовалась стадия сноса плазмы на ось сборки и стадия стагнации Z-пинча. Изучалось пространственное распределение интеграла по времени энергетической яркости Z-пинча для одиночных и вложенных многопроволочных сборок.
Исследования производились, преимущественно, рентгенографическими методами, а именно: посредством интегральных по времени камер-обскур и активным рентгеновским просвечиванием периферии сборки. Первая методика позволяла получать пространственное распределение интеграла по времени энергетической яркости Z-пинча за все время разряда. Вторая методика на основе точечного источника Х-пинча позволяла находить пространственное распределение плотности плазмы в определенные моменты времени на периферии одиночной сборки либо на периферии внутреннего каскада вложенной сборки.
В процессе выполнения работы решались следующие практические задачи: калибровка регистратора (фотопластинки ВР-П), используемого в камере-обскуре излучением Z-пинча посредством рентгеновского ступенчатого ослабителя на основе «серых» фильтров; нахождение пространственного распределения интеграла по времени энергетической яркости излучающего в МРИ объекта исследования; создание точечного источника рентгеновского излучения на основе Х-пинча, состоящего из двух и более скрещенных в одной точке проволок на установке Ангара-5-1. Изучение его излучательных характеристик; создание методики рентгеновского просвечивания на основе Х-пинча и определение массы вещества на периферии многопроволочной сборки с использованием ступенчатого ослабителя из того же материала, что и изучаемый объект; интерпретация полученных результатов, анализ, прогнозирование и формулирование выводов.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из Введения, 2-х глав и Заключения, содержит 1 таблицу, 62 рисунка и библиографию, состоящую из 99 наименований. Объем диссертационной работы составляет 141 страницу.
Содержание работы. Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи, достигаемые в процессе проводимых исследований; определены научная новизна и практическая значимость работы; приведены защищаемые положения.
В первой части первой главы диссертационной работы кратко описан экспериментальный диагностический комплекс Ангара-5-1, его параметры. Представлена схема расположения диагностических методик, используемых в экспериментах по изучению токового сжатия плазменных нагрузок. Более подробно описана методика регистрации изображения излучающей плазмы интегральной по времени камерой-обскурой. Приведены способы оптимизации параметров камеры-обскуры для получения наилучшего пространственного разрешения в мягком рентгеновском излучении. Описан метод нахождения относительной характеристической кривой фотослоя регистратора камеры-обскуры в излучении Z-пинча посредством ступенчатого ослабителя из «серых» фильтров. Использование калориметра и (или) набора вакуумных рентгеновских диодов за разными фильтрами позволило осуществить переход от относительной к абсолютной калибровке фоторегистратора. Представлены полученные абсолютные характеристические кривые для фотопластинок ВР-П в излучении Z-пинча за 0.75-микронным алюминиевым фильтром и без него. Используя полученные характеристические кривые фоторегистратора и известную геометрию эксперимента выполнен переход от плотности почернения в каждой точке зарегистрированного камерой-обскурой изображения Z-пинча к интегралу по времени энергетической яркости в этой точке, измеряемому в [Дж/(см -ср)].
Далее в первой главе рассмотрены различные подходы к интерпретации полученных с помощью интегральной по времени камеры-обскуры результатов. Показано, как можно разделять отдельные фазы плазмообразования, сноса плазмы на ось сборки и фазы стагнации плазмы в приосевой области на интегральных по времени обскурограммах.
Во второй части первой главы представлена методика рентгеновского просвечивания периферийной области плазменных нагрузок. Рассмотрена возможность селекции излучения Х-пинча на фоне гораздо более мощного источника рентгеновского излучения - Z-пинча. Представлена адаптированная к установке Ангара-5-1 конструкция Х-пинча, состоящего из 4-х скрещенных в одной точке молибденовых проволок диаметром 20 микрометров. Описаны методы измерения параметров Х-пинча, таких как ток, протекающий через Х-пинч, момент генерации и длительность импульса рентгеновского излучения, приведена верхняя оценка размера горячей точки Х-пинча. Представлены измерения мощности и результаты восстановления спектра точечного источника Х- пинча. Определен рабочий диапазон методики рентгеновского зондирования при включении Х-пинча в последовательную электрическую цепь с основной нагрузкой генератора Ангара-5-1. Показана возможность перехода от распределения плотности почернения на фоторегистраторе к распределению поверхностной плотности плазмы изучаемого объекта при осуществлении рентгеновского зондирования точечным рентгеновским источником. Данный переход оказался возможным при использовании ступенчатого ослабителя из того же материала, из которого изготовлена изучаемая нагрузка. Используя данные по спектру излучения Х-пинча, а также мощности его излучения, произведен выбор фоторегистратора, исходя из спектральной чувствительности последнего совместно с используемыми фильтрами. Проанализированы основные факторы, негативно влияющие на пространственное разрешение методики рентгеновского зондирования. Рассмотрено влияние дифракции и произведено сравнение полученных оценок дифракционного пространственного разрешения с пространственным разрешением, полученным в эксперименте. Сделан вывод о том, что пространственное разрешение по объекту при рентгеновском просвечивании плазменных нагрузок не хуже чем 5 мкм.
В конце первой главы обсуждаются погрешности измерений интеграла по времени энергетической яркости Z-пинча возникающих при относительной и абсолютной калибровке фоторегистратора, а так же при обработке экспериментальных данных. В этом же разделе описываются погрешности измерений плотности плазмы многопроволочных сборок методом рентгеновского зондирования точечным источником на основе Х-пинча.
Во второй главе представлены основные экспериментальные результаты по исследованию токового сжатия одиночных и вложенных многопроволочных сборок. В первой части главы сделан краткий обзор по исследованиям одиночных проволок из различных материалов при высокой скорости нарастания тока. Представлены результаты рентгеновского просвечивания одиночных многопроволочных сборок. Определены профиль поверхностной плотности вольфрамовой плазмы на периферии сборки и средние скорости расширения вещества проволочек сборки из вольфрама, алюминия и меди. Экспериментально показано, что процессы плазмообразования, сноса плазмы с проволочек на ось одиночной сборки происходит неоднородно в аксиальном и азимутальном направлениях. Неоднородный по пространству снос плазмы на ось сборки (названный «радиальным плазменным ливнем» [42]) приводит к возникновению в приосевой области горячих точек и плазменных образований, которые могут увеличивать длительность импульса МРИ. Рассмотрено появление в некоторых случаях прикатодной плазмы, имеющей конусообразную форму, а также образование внутри Z-пинча областей с малой светимостью. Предложено несколько вариантов, объясняющих появление таких образований.
Во второй части второй главы представлены результаты исследований токового сжатия вложенных многопроволочных сборок. В результате использования двухкаскадной схемы получено более однородное и компактное по сравнению с одиночными сборками сжатие плазмы на ось (степень сжатия 30). Получен Z-пинч с высокими геометрическими параметрами (~400 мкм в диаметре при высоте 15 мм). Достигнута мощность МРИ Z-пинча на уровне 7 ТВт при длительности импульса ~6 не. Построен профиль поверхностной плотности плазмы вблизи границы внутреннего каскада и для одной проволочки внутреннего и внешнего каскадов за 80 не и за 50 не до импульса МРИ Z-пинча. Показано, что проволочки внешнего каскада испаряются раньше
16 проволочек внутреннего. Проволочки внутреннего каскада испаряются не одновременно в аксиальном направлении. Проведен анализ пространственного распределения интеграла по времени энергетической яркости вложенной многопроволочной сборки, сделан вывод о том, что из приосевой области диаметром 700 мкм излучается более 90% всей энергии в мягком рентгене за разряд.
В третьей части второй главы обсуждаются полученные результаты. Описываются сценарии токового сжатия одиночных и вложенных многопроволочных сборок. Представлена модельная картина неоднородного сжатия плазмы, названная «радиальным плазменным ливнем».
В Заключении приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы.
Научная новизна работы состоит в уникальности разработанных диагностических методик и полученных с их помощью экспериментальных результатов по исследованию токового сжатия многопроволочных сборок.
Осуществлено просвечивание вещества одиночных и вложенных многопроволочных сборок в процессе токового сжатия на уровне тока 3-4-М А рентгеновским излучением точечного источника на основе Х-пинча.
Установлено, что значительное время (примерно 70% всего времени разряда) керны проволок остаются на своих первоначальных местах. На протяжении этого времени практически вся масса сборки находится на периферии.
Показано, что керны проволок истощаются не одновременно как для разных кернов, так и вдоль одного керна. При этом вещество кернов разлетается для вольфрама со средней скоростью 100 м/с, для меди и алюминия средняя скорость в ~4 раза выше.
Обнаружено, что вещество с периферии слетается к оси неоднородно в аксиальном и азимутальном направлениях, а именно в виде радиально вытянутых сгустков с шагом около 1 мм. Плазменные сгустки могут объединяться и сталкиваться, не достигнув оси. Следствием этого является возникновение излучающих плазменных образований, отстоящих от приосевого плазменного столба.
Получено, что в случае вложенной сборки сгустки плазмы образуются на границе внутреннего каскада, который является демпфером для плазмы внешнего каскада сборки.
Установлено, что из приосевой области одиночной сборки излучается около 70% всей энергии МРИ за разряд; в случае вложенной сборки эта величина составляет более 90%.
Практическая значимость работы:
Разработана методика просвечивания точечным рентгеновским источником на основе Х-пинча периферийной плазмы многопроволочных сборок в экспериментах по токовому сжатию на установке Ангара-5-1. Разработанная методика позволяет определять пространственное распределение массы вещества внутри различных плазменных нагрузок с пространственным разрешением 5 мкм и временным разрешением 2 не.
Разработана методика определения пространственного распределения интеграла по времени энергетической яркости Z-пинча, используя абсолютную калибровку фоторегистратора излучением Z-пинча. Проведена относительная и абсолютная калибровка фотопластинок ВР-П в мягком рентгеновском диапазоне энергий излучения Z-пинча на установке Ангара-5-1.
Проведенные с помощью этих методик исследования показали, что описание токового сжатия многопроволочных сборок на основе моделей, предполагающих образование сплошной непрерывной цилиндрической плазменной оболочки, в которой сосредоточено все вещество сборки, существенно отличается от реальности. Результаты выполненных исследований токового сжатия многопроволочных сборок вносят существенный вклад в понимание процессов взрыва проволок, сноса плазмы на ось сборки и формирования на оси компактных излучающих Z-пинчей. Получены новые экспериментальные данные для проверки теоретических моделей и кодов, описывающих сжатие многопроволочных сборок для создания излучателей с большим выходом МРИ и учитывающих явление затянутого плазмообразования, инициацию проволок, аксиальную и азимутальную неоднородности при токовом сжатии многопроволочных сборок.
Полученные экспериментальные данные позволяют оптимизировать параметры многопроволочных сборок, используемых для генерации мощных импульсов МРИ.
Результаты представленной работы будут использованы для расчета и проектирования крупных установок, генерирующих импульс МРИ для ИТС, проверки расчетных схем, описывающих сжатие многопроволочных сборок для создания излучателей с большим выходом МРИ.
Степень обоснованности результатов и выводов диссертации основана на большом объеме экспериментальной информации, полученной с помощью набора взаимодополняющих диагностических методик. Экспериментальные результаты хорошо согласуются с результатами, полученными на установках Стенд 300, Z и MAGPIE, а также численными теоретическими расчетами, учитывающими затянутое плазмообразование.
Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе докладывались на конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород) в 2000-2006 годах, на 13th International Conference on High-Power Particle Beams (BEAMS'2000, Nagaoka, Japan, 2000), на Euroconference of Advanced Diagnostics FOR MAGNETIC AND INERTIAL FUSION (Varenna, Italy, 2001), на 28th IEEE International Conference on Plasma Science and 13th International Pulsed Power Conference (Las Vegas, USA, 2001), на 5th International Conference on Dense Z-Pinches (Albuquerque, New Mexico USA, 2002), на 14th IEEE International Pulsed Power Conference (Dallas, Texas USA, 2003), на 30th European Physical Society Conference on CONTROLLED FUSION AND PLASMA PHYSICS (EPS-2003, г. Санкт-Петербург, 2003г.), на 1-ом и И-ом Всероссийском семинаре по Z пинчам (г. Москва, РНЦ «Курчатовский институт», 2004г., 2006г.), на X Всероссийской конференции «Диагностика высокотемпературной плазмы» (г. Троицк, Московской области, 2003г.), на 15th International Conference on High-power Particle Beams (BEAMS'2004, r. Санкт-Петербург, 2004г.), на II межрегиональной научно-практической конференции «Наука и молодежь в XXI веке» (11 сентября 2004г., г. Троицк), а также на семинарах отдела ОФТП в ГНЦ РФ ТРИНИТИ.
Материал диссертации опубликован в работах [42, 52, 53, 62, 66, 67, 71, 72, 81,86,88,92].
Личный вклад автора. Основные результаты работы получены автором самостоятельно. Автором разработана конструкция точечного источника на основе Х-пинча применительно к установке Ангара-5-1; методика просвечивания периферии многопроволочных сборок на установке Ангара-5-1; адаптация камер-обскур для условий эксперимента на установке Ангара-5-1; методика абсолютной калибровки фотопластинок ВР-П посредством ступенчатого ослабителя из «серых» фильтров, а также проведены измерения и осуществлена обработка полученных результатов.
На защиту выносятся следующие положения:
Разработаны точечный рентгеновский источник излучения на основе Х-пинча применительно к установке Ангара-5-1 и методика просвечивания периферии многопроволочной сборки на установке Ангара-5-1, позволяющая получать количественное пространственное распределение плотности вещества сборки с временным разрешением не хуже 2 не и пространственным разрешением лучше 5 мкм.
Разработана методика определения пространственного распределения интеграла по времени энергетической яркости Z-пинча. При этом использовалась абсолютная калибровка фоторегистратора излучением этого же Z-пинча посредством ступенчатого ослабителя из «серых» фильтров.
Экспериментально показано, что описание токового сжатия многопроволочных сборок на основе моделей, предполагающих образование сплошной непрерывной цилиндрической плазменной оболочки, в которой сосредоточено все вещество сборки, существенно отличается от реальности. Плазмообразование и снос плазмы на ось сборки происходит неоднородно как в азимутальном, так и в аксиальном направлениях. Полученные результаты являются частью экспериментальных данных, на основе которых выдвинуты модели «затянутое плазмообразование» и «радиальный плазменный ливень».
Определены профили плотности плазмы для одиночных и вложенных многопроволочных сборок на момент времени, который соответствует 70-80 не после начала тока через нагрузку. Установлено, что более 70% всей массы одиночной сборки находится в стоящих на своих первоначальных местах плотных кернах. Оставшаяся масса в виде плазменных струй сносится на ось сборки.
Обнаружено, что плазменные радиально вытянутые сгустки, не одновременно и не симметрично сталкиваются в приосевой области сборки, образуя горячие точки и плазменные образования, отстоящие от Z-пинча на расстояние до 1 мм. Неодновременное испускание МРИ из таких образований может приводить к затягиванию импульса излучения Z-пинча, и понижению мощности его излучения.
Сжатие вложенной многопроволочной сборки более компактно, устойчиво и стабильно по сравнению со сжатием одиночной. Мощность МРИ Z-пинча вложенной многопроволочной сборки превосходит мощность излучения Z-пинча одиночной сборки. Из приосевой области одиночной многопроволочной сборки диаметром около 1 мм испускается до 70% энергии в мягком рентгеновском излучении, в случае вложенной многопроволочной сборки из приосевой области диаметром около 700 мкм излучается более 90% энергии МРИ.
Керны проволок в составе одиночных и вложенных многопроволочных сборок истощаются не одновременно как для каждой проволоки в аксиальном направлении, так и для соседних проволок в сборке. Измерены средние скорости расширения кернов проволок в составе многопроволочной сборки. Для вольфрамовых кернов средняя скорость расширения составила ~100 м/с, для алюминиевых ~400 м/с, для медных -350 м/с.
Диагностический комплекс, используемый на установке ангара-5-1
Установка Ангара-5-1, предназначенная для проведения исследований в области инерциального термоядерного синтеза, была запущена в 1985г [43]. Длительность импульса тока на установке - 100 не, амплитуда тока до 5 МА, напряжение более 1 MB. Тогда же вошли в эксплуатацию контрольно -измерительный управляющий комплекс КИИУ-5 [44] и комплекс СКПФ-202 [45]. Эти комплексы включали в себя обширный набор датчиков, детекторов излучений и регистраторов. С годами проходила модернизация этих комплексов, для новых экспериментов разрабатывались новые методики.
Основное направление исследований на установке - сверхбыстрое токовое сжатие многопроволочных сборок [36], каскадных многопроволочных сборок [46], и Z- пинчи [47], каскадный лайнер [48].
Эксперименты, выполненные в начале 90-х годов на установке Ангара-5-1 по имплозии каскадных лайнеров [46, 8], продемонстрировали принципиальную возможность сокращения длительности возникающего при соударении лайнеров импульса мягкого рентгеновского излучения до 3-5 не. При этом мощность МРИ по сравнению с электрической мощностью, подводимой к нагрузке, возрастала в 2-3 раза. В начале 1990-х годов на установке проводились так же исследования дейтериевого Z-пинча [47].
На установке Ангара-5-1 проводятся так же исследования ударных волн, возбуждаемых при воздействии мощного импульса МРИ на различные среды [49].
Последние годы на установке активно исследуется сжатие током многопроволочных сборок из вольфрама. При сжатии такой нагрузки излучается мягкое рентгеновское излучение (МРИ) в области 100 эВ -1кэВ с энергией до 100 кДж в импульсе [36], длительностью до 6 не. Характерный размер сборки 1 см. Диаметр проволок от 5 мкм. Масса нагрузки 150-300 мкг. Плотность электронов в плазме составляет 1019-1021 см"3, электронная температура 100эВ. Плотность сжимаемого вещества лежит в пределах от плотности твердого тела до 1 мкг/см3.
В настоящее время на установке Ангара-5-1 используются следующие диагностические методики для определения параметров плазмы в сжимаемых током многопроволочных сборках:
электротехнические методы для измерения тока и напряжения вблизи и внутри многопроволочной сборки;
регистрация МРИ с помощью болометра и набора вакуумных рентгеновских диодов и PIN-диодов с различными фильтрами;
регистрация жесткого рентгеновского излучения с помощью дозиметров;
спектральные измерения МРИ с помощью полихроматора на основе многослойных зеркал, кристаллического спектрографа и спектрографа на пропускающей решетке;
измерение импульсных давлений в веществе при распространении ударных волн, возбуждаемых МРИ;
регистрация временной развертки свечения в оптическом диапазоне радиального сечения многопроволочной сборки;
визуализация в собственном МРИ формы многопроволочной сборки с помощью камер-обскур;
активное лазерное зондирование в кадровом режиме с получением теневых, шлирен и интерференционных изображений;
рентгеновская радиография сжимаемого током многопроволочной сборки посредством импульса рентгеновского излучения от Х-пинча.
Схема лайнерного узла для экспериментов по токовому сжатию проволочных сборок представлена на рис. 1. Там же дано расположение большинства диагностических средств, указаны направления наблюдения, зондирования, и регистрации излучений.
Интегральная по времени камера-обскура для исследования излучающей плазмы
При исследовании токового сжатия многопроволочных сборок и Z-пинчей большой интерес представляет визуализация их формы, особенно в той длине волны, которая является наиболее представительной. Характерная энергия квантов - ЮОэВ - 1кэВ, обычная оптика в этой области неприменима. Построение изображения в таких квантах возможно с помощью камеры-обскуры. Ее пространственное разрешение должно максимальным образом соответствовать характерным размерам исследуемого объекта, которые в нашем случае могут составлять единицы микрон.
Для временного анализа объекта необходимо иметь временной затвор с наносекундной длительностью. В настоящее время не существует возможности управлять во времени прохождением рентгеновских квантов без их конвертации либо в видимый свет на сцинтилляторе, либо в поток электронов (в МКП, в ЭОПе). Обе эти возможности приведут к ухудшению пространственного разрешения.
Использование интегральной во времени камеры-обскуры приводит к наложению всех фаз токового сжатия на одно изображение, что существенно затрудняет трактовку полученного результата. Однако имеются и достоинства такой методики. Во-первых, сжатое состояние пинча длится короткое время (наносекунды), за которое излучается максимальная энергия, так что изображение, в основном, формируется на фазе максимального сжатия, изучение которой как раз и представляет особый интерес. Во-вторых, на той же обскурограмме можно фиксировать и начальные стадии токового сжатия, и во многих случаях интерпретация обскурограмм возможна. В-третьих, сама собой отпадает необходимость в синхронизации.
Главное достоинство камеры-обскуры - возможность обеспечения высокого пространственного разрешения, что подробно будет обсуждено ниже.
На установке Ангара-5-1 интегральная по времени камера-обскура применялась для изучения процессов плазмообразования, сноса плазмы к оси и пинчевания основной массы многопроволочной сборки. Камера-обскура позволяет получать информацию о фазах сжатия, имеющих весьма малую длительность. Действительно, если излучающий объект имеет характерный размер Ах и при этом движется со скоростью v, то для получения его резкого
зо изображения объект должен излучать не дольше, чем At Ax/v. Полагая, что скорость движения излучающего плазменного образования порядка альфвеновской, v-3-ІО см/с, получим, что длительность свечения объекта с размером Ах 100 мкм должна составлять доли наносекунды, иначе его изображение не будет резким.
В интегральной камере-обскуре, используемой на установке Ангара-5-1 в качестве регистратора использовались фотопластины. Для защиты регистратора от засветки рассеянным рентгеновским излучением применялся коллиматор, изготовленный из трехмиллиметровой стали. Изображение формировалось отверстием, пробитым лазером в металлической фольге. Положение камеры-обскуры относительно лайнерного узла представлено на рис. 1.
Исследование токового сжатия одиночной многопроволочной сборки
Впервые гетерогенная структура керна взрывающейся под действием электрического тока проволочки обнаружена для отдельного проводника [79] и в сборке в работах [80] и [81], соответственно. В обоих случаях для этого применялась рентгеновская диагностика, основанная на использовании точечного рентгеновского источника Х-пинча. Пространственная (r,z)-структура плазменной оболочки и керна вольфрамовой и титановой проволочки в собственном магнитном поле моделируется численно, в рамках системы уравнений двумерной радиационной МГД, при прохождении ударной волны через изначально заданный скачок плотности (1:50) на возмущённой цилиндрической границе плазмы и однофазного жидкого керна [82].
В последние годы электрический взрыв отдельной, тонкой проволочки при высокой скорости нарастания тока является объектом интенсивного экспериментального изучения [83, 84, 85]. Скорость расширения взрывающейся проволочки, от 0.2 мкм/нс (для титана) до 5 мкм/нс (для цинка), в зависимости от удельного сопротивления материала и энергии, вложенной на стадии омического нагрева за время 50-60 не, при скорости нарастания плотности тока 4 МА-см /не, представлена в работе [83]. Для значительно более быстрого разряда (-50 МА-см /не), скорость расширения вольфрамовой проволочки 0.6 мкм/нс [84] превосходит величину 0.35 мкм/нс [83] почти в 2 раза.
На установке Ангара-5-1 в экспериментах с многопроволочными вольфрамовыми сборками [86] в течение первых 10 не производная плотности тока около 500 МА-см" /не, что почти на порядок больше, чем в работе [83]. Из сравнения (в логарифмической шкале) результатов [83, 84], для условий работы [86] следует, что скорость расширения должна увеличиться приблизительно ещё в 2 раза и достигнуть 1.2 мкм/нс. Проверка этой оценки для скорости расширения керна в многопроволочной сборке особенно актуальна из-за наличия сильного коллективного магнитного поля, нарушающего цилиндрическую симметрию отдельного проводника. Можно ожидать не только количественных отличий, но в первую очередь именно качественных, поскольку взаимодействие керна с плазмой, сносимой в центр сборки силой Лоренца, много слабее, чем в эксперименте с одной проволочкой.
В результате «холодного старта» - при пропускании тока через первоначально не ионизованную нагрузку происходит вложение энергии в проволоки сборки, находящиеся в металлическом состоянии. В [87] показано, что через нескольких наносекунд после появления напряжения на сборке из вольфрамовых проволок на поверхности проволок появляется плазменный слой. Система становится гетерогенной: остов из металлических проволок и окружающая каждую проволоку плазма (плазменная корона). Ток с проволок переключается на плазму. На данном этапе энергия джоулева нагрева, вложенная в металлическую проволоку до момента полного перехвата тока плазмой, оказывается недостаточной для перехода всей массы в состояние горячей плазмы [88]. Дальнейший нагрев вещества проволок и генерация плазмы из них обуславливаются, в основном, тепловым потоком из плазменной короны на проволоки.
