Содержание Стр.
Введение 4
Содержание и структура диссертации 4
Общая характеристика работы 4
Глава 1. Х-пинч - источник рентгеновского излучения для инерииального подхода к управляемому термоядерному синтезу 11
Глава 2. Основные диагностические методы, разработанные для экспериментов по генерации рентгеновского излучения и исследованиям плазмы 30
§2.1.Рентгеновская спектрометрия 30
П.2.1.1. Особенности спектрографических измерений 30
П.2.1.2. Система регистрации рентгеновских спектров с временным разрешением для мощных генераторов тока 32
П.2.1.3. Вычислительная программа для восстановления параметров плазмы по спектральным интенсивностям линий водородо- и гелиеподобных ионов 38
§2.2. Измерение мощности мягкого рентгеновского излучения в широком спектральном диапазоне с помощью вакуумных и полупроводниковых диодов 44
П.2.2.1. Детектор на основе вакуумного фотоэмиссионного диода с компенсирующим пленочным фильтром 45
П.2.2.2. Расчёт системы ахроматического ослабления мягкого рентгеновского излучения на основе многодырочной диафрагмы 47
П.2.2.3. Система ослабления рентгеновского излучения на основе полного внешнего отражения при скользящем падении 57
§2.3. Нейтронные измерения 60
П.2.3.1. Активационный метод 60
П.2.3.2. Времяпролётная методика 63
§2.4. Определение верхней границы распределения тормозного излучения с помощью фотонейтронных реакций 64
Глава 3. Экспериментальное исследование динамики лайнеров 73
§3.1. Экспериментальные установки и диагностические средства 73
§3.2. Экспериментальные исследования по реализации схемы рентгеновского излучателя «лайнер- конвертор» 77
П.3.2.1. Пластиковые лайнеры с газовой "шубой'' 77
П.3.2.2. Экспериментальное моделирование схемы "лайнер-конвертор " 84
П.3.2.3. Эксперимент "лайнер-конвертор" на установке "АтЫопх" 88
П.3.2.4. Исследование динамики гетерогенного 2-пинча на С-300 94
§3.3. Динамика многопроволочных сборок 96
П.3.3.1. Плазмообразование и движение одиночных сборок 97
П.3.3.2. Фаза максимального сжатия 103
П.3.3.3. Динамика вложенных сборок. Перехват тока и "проваз" внешней сборки 109
П.3.3.4. Регистрация рентгеновских спектров ионов алюминия с 113
2
временным разрешением
Глава 4. Генерация плотной горячей плазмы в выделенной точке 2-пинча 121
§4.1. Эксперименты на углеводородных нагрузках на генераторе "Модуль А5-0Г при токе 1 МА 121
§4.2. Динамика Z-пинчeй с твёрдотельными нагрузками малой плотности на генераторе "Модуль А5-01" 128
§4.3. Исследование плазмы в перетяжке X пинча на импульсном генераторе С-300 на уровне тока до 3 МА 133
§4.4. Нейтронное излучение из перетяжки дейтерированного 2-пинча 139
Глава 5. Исследования динамики плазмы в Х-пинчах мегаамперного диапазона 148
§5.1. Современное состояние исследования Х-пинчей 148
§5.2. Постановка эксперимента на импульсном генераторе С-300 150
§5.3. Результаты эксперимента 153
Глава 6. Транспортирующие свойства сильноточной магнитоизолированной передающей линии и динамика приэлектродной плазмы 166
§6.1. Постановка эксперимента по исследованию протекания импульсного тока с большой линейной плотностью по модели линии с магнитной изоляцией 167
§6.2. Влияние чистоты электродов на функционирование ВТЛ 175
§6.3. Влияние материала центрального электрода на функционирование ВТЛ 178
§6.4. Исследование динамики катодной плазмы 181
§6.5. Возможные неустойчивости плазмы, приводящие к токовым утечкам 190
Заключение 194
Литература 199
з
СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения. В первой главе приведен краткий обзор подходов к реализации инерциального термоядерного синтеза (ИТС) на основе мощных импульсных источников излучения и современного состояния физики 2-пинчей. Вторая глава содержит описание оригинальных методов измерения рентгеновского излучения и исследования плазменных процессов. Большая часть работы посвящена экспериментальным исследованиям динамики различных видов 2-пинчей. Это - главы 3, 4, 5. Шестая глава посвящена исследованиям работоспособности вакуумной передающей линии с магнитной самоизоляцией при экстремальных токовых нагрузках.
Объем диссертации составляет 214 страниц, включая 136 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 268 наименований.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы.
Современная физика высокотемпературной плазмы родилась на заре исследований по управляемому термоядерному синтезу (УТС). В настоящее время УТС остаётся наиболее притягательным приложением сил исследователей горячей плазмы. Развиваются несколько направлений в этих исследованиях, наиболее продвинутыми из которых являются квазистационарная высокотемпературная плазма токамаков, лазерная плазма, импульсная токонесущая плазма 2-пинчей. Мегаамперные 2-пинчи являются эффективным источником мягкого рентгеновского излучения, с помощью которого можно сжать и поджечь термоядерную мишень. В настоящее время рекордная в лабораторных экспериментах величина мощности мягкого рентгеновского излучения: 200 ТВт и 1.8 МДж, - достигнута именно при сжатии многопроволочной сборки током в 20 МА.
Знание закономерностей формирования и движения плазмы позволяет получить мощный источник мягкого рентгеновского излучения, создавать сверхсильные электромагнитные поля, потоки энергичных электронов и многозарядных ионов и достичь экстремального состояния вещества.
Получаемые в высокотемпературной плазме электромагнитное излучение и корпускулярные потоки становятся основой для методов исследования быстропротекающих физических процессов с высоким временным и пространственным разрешением, исследований взаимодействия мощных потоков излучения с веществом,
4
что перспективно ятя нанотехнологий и для производства и испытаний микроэлектроники.
Процесс в понимании физики плотной горячей плазмы и генерации импульсов мягкого рентгеновского излучения является фундаментом для разработок новой техники мощных электрических импульсов, в частности, с использованием вакуумных передающих линий.
Исследование новых плазменных структур и образований невозможно без разработки новых диагностических средств, имеющих специальные временные, пространственные, спектральные и другие характеристикам. К этим диагностикам относятся и новые разработанные автором рентгеноспектральные методы. Методические разработки, развиваемые в плазменных исследованиях, пригодны для изучения космических объектов, внутренней структуры биологических объектов.
Все вышесказанное и определяет актуальность представленной работы.
Цель работы и задачи исследований.
Изучение и оптимизация физических процессов при сжатии быстрых сильноточных Ъ-пинчей- формирования токовой плазменной оболочки; динамики плазмы на стадии ускорения; развития неустойчивостей и разработка способов их смягчения и подавления; формирования плотной горячей плазмы (цилиндрического жгута или горячей точки) на оси, - и создание на этой основе источника мягкого рентгеновского излучения с требуемыми параметрами.
Поставленные задачи были решены путем разработки новых типов нагрузок, новых диагностических средств, специальных целенаправленных экспериментов в высоковольтном диоде мощных импульсных генераторов тока.
Связь с государственными научно-техническими программами.
Диссертационная работа выполнена по плану проводимых в НИЦ Курчатовский институт научно-исследовательских работ в соответствии с Федеральной целевой научно-технической программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма "УТС и плазменные процессы" 1996-2000 годы; Федеральной целевой научно-технической программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы; Федеральной целевой прО!раммой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»; Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Научная новизна работы заключается в том что:
5
1. Для непосредственного измерения мощности вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения в широком спектральном интервале:
-была предложена и осуществлена схема выравнивания спектральной характеристики вакуумного рентгеновского диода за счёт применения специально подобранного фотокатода и компенсирующего фильтра, располагающегося перед детектором; -предложен алгоритм расчёта многодырочной диафрагмы для равномерного ослабления освещённости детектора, который позволяет определить геометрию такой системы по простым формулам с малой погрешностью;
-предложен новый способ и разработано устройство для равномерного уменьшения освещённости детектора мягкого рентгеновского излучения с использованием эффекта полного внешнего отражения от сферической поверхности при малых углах скольжения.
2. Разработана и апробирована оригинальная методика определения верхней границы тормозного спектра рентгеновского излучения на основе фотонейтронных реакций, которая была применена для измерения импульсного напряжения в диапазоне 2-5 МВ на диоде высоковольтного генератора с плазменным прерывателем тока.
3. При имплозии многопроволочных лайнеров на импульсных сильноточных генераторах тока впервые обнаружены следующие особенности:
- характерный период осевой неустойчивости типа стратификации в сборках, составленных из разных материалов, существенным образом определяется периодом элемента с наибольшим атомным номером. Этот период распространяется на все проводники;
- на этапе ускорения на отдельных участках сжимающейся цилиндрической сборки, параллельных её оси, зарегистрировано нерегулярное изменение плотности (эффект "просветления”). Наиболее вероятно, что оно обусловлено токовой филаментацией в разреженной плазменной короне в результате развития нелинейной электронной магнитной гидродинамической неустойчивости;
- в процессе магнитного обжатия двойных вложенных цилиндрических сборок на основе рентгеноспектральных измерений впервые обнаружен эффект "провала" внешней оболочки сквозь внутреннюю.
4. Разработана и впервые применена в экспериментах но имплозии многопроволочных сборок мегаамперными токами методика регистрации линейчатых рентгеновских спектров с наносекундным временным разрешением на шелевой развёртке. По зарегистрированным спектрам [Н]- и [Не]-подобных ионов алюминия были определены временные характеристики параметров горячей плазмы Ъ-пинча.
6
5. Для улучшения устойчивости сжатия цилиндрического Z-пинчa предложен, изготовлен и экспериментально проверен на работоспособность двухоболочечный лайнер, состоящий из двух тонких пластиковых оболочек с разреженным газом между ними, позволяющий организовать равномерно распределённое по азимуту протекание электрического тока на старте. Продемонстрировано устойчивое 10-кратное сжатие лайнеров такой конструкции.
6. С помощью рентгеновского спектрографа с пространственным разрешением показано, что в схеме рентгеновского излучателя «лайнер-конвертор» добавление в гелиевый г-пинч примесей со средними атомными номерами приводит к лучшему нагреву электронов и увеличению энерговыделения на электроде-конверторе за счет аксиальной теплопроводности.
7. Исследования динамики сжатия плазмы в веществе из лёгких элементов, содержащем дейтерий, в экспериментах, моделирующих зажигание шнура из конденсированного водорода, показано, что в пинчах с начальной плотностью нагрузки -Ю'1 г/см3 при токах 1-3 МА достигнуты температура и плотность плазмы в перетяжке достаточные для того, чтобы диагностировать ядерную реакцию синтеза. Эксперименты указывают на присутствие как термоядерного механизма, соответствующего ионной температуре плазмы в перетяжке, так и на механизм, связанный с нетепловым распределением дейтронов.
8. Впервые были проведены экспериментальные исследования многопроволочных X-пинчей из различных материалов при токах более 2 МА, которые подтвердили основные закономерности динамики Х-пинчей, сформулированные при существенно меньших токах. Были зафиксированы рекордные параметры плазменного излучателя, яркость излучения выше 1015 Вт/(см2-ср) в мягком рентгеновском диапазоне при размере горячей точки -20 мкм и мощности излучения -120 ГВт.
9. Впервые была исследована работоспособность возобновляемых участков вакуумных транспортирующих линий с магнитной самоизоляцией с параметрами, требующимися дтя концептуального проекта термоядерного реактора. Экспериментально показано, что вне зависимости от материала и степени очистки электродов при пропускании тока с линейной плотностью до 7 МА/см по модели линии с магнитной изоляцией входной и выходной токи отличаются менее чем на 10% достаточно длительное время - 220+320 не.
Научная и практическая значимость
Полученные в проведенных исследованиях результаты привели к уточнению ряда представлений в физике сжимающихся многопроволочных лайнеров, газовых струй и механизмов формирования плотной горячей плазмы в 7-пинчах.
7
Модельные эксперименты продемонстрировали принципиальную возможность трансформации электромагнитной энергии с использованием теплопроводностного механизма по схеме "лайнер-конвертор" в мощный импульс рентгеновского излучения.
В 2-пинчах, моделирующих инициирование самоподдерживающейся волны реакции синтеза на дейтерированных нагрузках, достигнуты температура и плотность плазмы в перетяжке достаточные для того, чтобы диагностировать ядерную реакцию синтеза. Эксперименты указывают на перспективность этого подхода.
Экспериментальные исследования многопроволочных Х-пинчей при токах более 2 МА указали на дальнейшую перспективу создания источника рентгеновского излучения с уникальными по своим временным, пространственным и яркостным параметрам свойствами на более мощных генераторах.
Разработанные оригинальные научные приборы и экспериментальные методики используются в исследованиях высокотемпературной плазмы и могут использоваться в других плазменных экспериментах и исследованиях быстропротекающих процессов.
Продемонстрирована пригодность вакуумных транспортирующих линий с магнитной самоизоляцией для передачи мощного электромагнитного импульса к нагрузке демонстрационного термоядерного реактора.
Результаты диссертации можно использовать для тестирования микроэлектронной продукции на радиационную стойкость, в рентгенолитографии.
На защиту выносятся:
1. Детектор импульсного мягкого рентгеновского излучения с равномерной спектральной характеристикой на основе вакуумного рентгеновского диода с соответственно подобранными рентгеновским фотокатодом и фильтром.
2. Два типа широкополосных равномерных ослабителей мягкого рентгеновского излучения: на основе многодырочной диафрагмы и на основе эффекта полного внешнего отражения от сферической поверхности при малых углах скольжения.
3. Активационная и времяпролётная методики регистрации нейтронного излучения, проведение нейтронных измерений и их обработка.
4. Методика определения высокоэнергичной границы тормозного рентгеновского спектра в мегавольтном диапазоне на основании фотоядерных реакций.
5. Методика линейной развёртки рентгеновских К-спектров алюминия с наносекундным временным разрешением на мощных импульсных генераторах тока.
6. Модель и численные коды для определения параметров горячей оптически плотной плазмы по К-спектрам [Н]- и [Не]- ионов.
7. Технология изготовления сложных экспериментальных нагрузок, в том числе и тонкостенных пластиковых лайнеров с газовым наполнением.
8
8. Экспериментальная демонстрация работоспособности модели вакуумной линии с магнитной изоляцией при токах с линейной плотностью до 7 МА/см и измерение температуры и плотности плазмы в межэлектродном зазоре.
9. Выявление общих закономерностей и конкретных особенностей в образовании пространственных структур, спектрального состава и временных характеристик излучения г-пинча, образующегося в результате имплозии лайнеров различной геометрии и различного химического состава.
10. Экспериментальные исследования Х-пинча при рекордном токе ~2 МА. Определение параметров плазмы в Х-пинче и в перетяжке г-пинча из лёгких элементов. Личный вклад автора.
Все результаты, представленные для защиты в диссертации, получены автором лично или с его определяющим участием. Автор организовал несколько экспериментальных кампаний и руководил их проведением; ставил экспериментальные задачи, исполнял ведущую роль в их реализации, разрабатывал диагностические методы и приборы, анализировал, обрабатывал и интерпретировал результаты экспериментов. Достоверность и обоснованность результатов,
полученных в диссертационной работе, основаны на комплексном подходе к исследованиям, использовании большого количества различных взаимно дополняющих методов диагностики и достаточной статистике измерений, полученной как в большом числе опытов, так и на нескольких экспериментальных стендах, а также сравнением экспериментальных данных с результатами численного моделирования.
Результаты представленных работ нашли своё подтверждение в независимых работах других экспериментальных групп.
Апробация работы и публикации.
Результаты работы докладывались и обсуждались на:
Международных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, Звенигород, 1997, 2002, 2006-2011;
Европейских конференциях по физике плазмы и управляемому синтезу: Амстердам (Голландия) 1990, Берлин (Германия) 1991, Прага (Чехия) 1998, Сорренто (Италия) 2000, С.-Петербург (Россия) 2003, Лондон (Англия) 2004, Таррагона (Испания) 2005, Рим (Италия) 2006,
Международных конференциях по физике плазмы и УТС (ШЕЕ - 1СОРБ, Йокогама (Япония) 1998, Киото (Япония) 2001, Карлсруэ (ФРГ)2008, 1СРР-Фукуока (Япония) 2008;
Международных конференциях по плотным Ъ - пинчам: Ванкувер (Канада) 1997, Альбукерки (США) 2002, Александрия (США) 2008, Биарриц (Франция) 2011;
9
Международных конференциях по мощным импульсным пучкам заряженных частиц (BEAMS, Кобе (Япония) 1986, Карлсруэ (ФРГ) 1988, Новосибирск (СССР) 1990, Сан-Диего (США) 1994, Прага (Чехия) 1996, Хайфа (Израиль)-1998, Нагаока (Япония) 2000, Санкт Петербург (Россия) 2004), Оксфорд (Англия) 2006, Ченду (КНР) 2006, Сиань (КИР) 2008;
Международной конференции по мегагауссовым магнитным полям Альбукерки (США) 1992;
Международной конференции по диагностике высокотемпературной плазмы (HTPD, Тусон (США), 2000;
Международных конференциях по экстремальным состояниям вещества (Эльбрус, Россия, 2004, 2009);
Совещании по диагностике высокотемпературной плазме. С.-Петербург (Россия), 1993, Всероссийском семинаре по Z - пинчам (Москва, 2006);
Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике, г. Томск (СССР) 1987; 2010; Международной конференции по инерциальной науке и приложениям. Бордо (Франция) 1999;
Между народи ом Симпозиуме по плазменным исследованиям и их приложениям: Варшава (Польша) 2001, 2003;
Международный Симпозиум по Физике плазмы и технологии: Прага (Чехия) 1997; Европейской конференции по современной диагностике для управляемого синтеза, Варенна (Италия) 2001;
Китайско-Российских семинарах по физике плазмы: Пекин (КНР) 2006, 2009; Международной конференции по диагностике плазмы: Алушта (Украина) 2010; Российском семинаре "Современные методы диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды" МИФИ 2009, 2010;
Международной конференции: передовые рубежи в Физике плазмы и технологии. Катманду (Непал) 2009;
Семинарах в ФИ РАН, ТРИНИТИ, НИЦ Курчатовский институт, ИТЭФ, ИПХФ РАН, ФГУП «Институт стратегической стабильности».
Результаты исследований изложены в 73 печатных трудах, среди которых 27 статей, в том числе 24 статьи в рекомендованных ВАК периодических изданиях для диссертаций, 38 докладов на Международных и Российских симпозиумах и конференциях, 5 препринтов, 3 патента (авторских свидетельства) на изобретения.
Результаты диссертации опубликованы в работах [46,88,90,91,99-102,111-115,125,128,129,132,134,136,144,145,148-158,172,179-187,189,190,197-203,207-218,231-233,239,240,247,262-268] списка цитируемой литературы.
10
ГЛАВА 1. Z-ПИНЧ - ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ
ИНЕРЦИАЛЬНОГО ПОДХОДА К УПРАВЛЯЕМОМУ ТЕРМОЯДЕРНОМУ СИНТЕЗУ Работа автора в большей части связана с решением задачи инерциального термоядерного синтеза (ИТС). Основная цель всех ИТС подходов и схем - это генерация короткого мощного импульса: ионного пучка, импульса лазерного или мягкого рентгеновского излучения (МРИ),- несущего в себе достаточный запас энергии для зажигания сферической термоядерной мишени. На пути к этой долгосрочной цели были найдены и изучены подходы для генерации коротких импульсов излучения, имеющего самостоятельное значение в исследованиях взаимодействия мощных потоков излучения с веществом, для микро- и нанотехнологий, как средство диагностики быстропротекаюших физических процессов с высоким пространственным и временным разрешением.
Потребность освоения новых источников энергии в настоящее время остаётся острой и актуальной из-за роста промышленного производства, увеличения населения, стремления сохранить природу и ограниченности традиционных ископаемых в мире. Таким источником может стать управляемая термоядерная реакция, которая уже более шестидесяти лет привлекает к себе усилия больших коллективов исследователей во многих странах [1]. Подходы к освоению энергии, выделяемой при ядерных реакциях синтеза лёгких ядер, подразделяются на системы с магнитным удержанием плазмы и инерциальные системы. Обе системы способны достигнуть требуемых критериев по необходимому нагреву плазмы до температур, превосходящих 10 кэВ, и времени удержанию плазмы, достаточному для того, чтобы выделившаяся энергия не только компенсировала все расходы, но и давала возможность поставлять её потребителю. Желаемый результат в системах с магнитным удержанием плазмы достигается за счёт длительного (например, на первом этапе работы международного токамака ИТЭР - в течение нескольких минут) нагрева относительно редкой плазмы в изолирующих от стенок вакуумной камеры магнитных полях. Инерциальный подход основан на быстром нагреве плотного вещества, которое успевает выдать энергию за короткое время своего разлёта.
Наиболее перспективными "драйверами" в ИТС являются лазеры и импульсные генераторы тока. Крупнейшими установками ныне являются лазеры National Ignition Facility (NIF) [2] в США, PETAL [2] во Франции и лидер среди токовых генераторов ZR [3] в лаборатории Sandia, США. Лазеры обладают неоспоримыми преимуществами: удалённостью генератора от термоядерной мишени и возможностью сфокусировать
11
излучение на неё. Импульсные генераторы тока с емкостными или индуктивными накопителями являются относительно простыми по технологии и дешёвыми по реализации. Как отдельная ветвь последних сейчас развиваются исследования по применению для ИТС взрыво-магнитных генераторов [4]. Кроме перечисленных драйверов для ИТС рассматриваются варианты использования ускорителей тяжёлых ионов [5].
Автор работает на экспериментальных стендах - импульсных генераторах тока, и его научно-исследовательская деятельность была связана с несколькими схемами инициирования реакции в подходе ИТС на основе Z-пинчсй, в которых запасённая в электрической цепи импульсного генератора энергия трансформируется, в конечном счете, в нагрев вещества и его рентгеновское излучение. Соответственно, вещество для требуемых параметров МРИ должно быть разогрето до 300 эВ. Это вещество представляет собой плазму с полным набором присущих ей свойств, включая и неустойчивости. Изучение плазменных неустойчивостей, их устранение или использование является органической составляющей всех плазменных исследований, этим работам посвящена и часть диссертации. Краткий обзор современного состояния исследований по инерциальному термоядерному синтезу в мире содержит эта глава.
Лазеры и схемы нагрева мишени
Лазерный подход исторически начинался с прямого нагрева сферической мишени [6]. Наиболее перспективным вариантом такого прямого нагрева сейчас является схема быстрого поджига (fast ignition) [7]. Такая схема стала возможной с появлением ультракоротких t-lO'14 с мощных лазеров Рис.1 Л. Суть её заключается в том, что на первой стадии мощным лазерным импульсом энергия (в расчётах для NIF это ~ 1.8 МДж за -1 не) вкладывается равномерно по всей поверхности, и при достижении максимального сжатия мишени осуществляется инициирование реакции в центральной части дополнительным коротким ультрафиолетовым импульсом (20 кДж за несколько пикосекунд) через конусный ввод.
Чаще чем непосредственное облучение поверхности мишени в лазерных и нелазерных подходах применяется «непрямая» схема нагрева посредством мягкого рентгеновского излучения (МРИ), генерируемого преимущественно на внутренней поверхности полости-«хольраума» (от немецкого Hohlraum - полость), в которую помешена мишень. При такой «непрямой» схеме из-за многочисленных актов переизлучения легче реализовать равномерный (± 1%) вклад энергии по всей поверхности мишени, что необходимо для сё устойчивого сжатия Рис.1.2 [8]. Мощность, продолжительность
12
вклада и спектральный состав излучения, требующегося для получения энергии синтеза равной вложенной, задаются по результатам расчётов мишени. Для перспективных
Рис.1.2. Непрямая схема инициирования ядсрной реакции синтеза на установке NIF [8].
Комплекс крупнейшей лазерной установки NIF состоит из 192 мощных лазеров, которые одновременно направляться на миллиметровую мишень. Мощность установки — 500 ТВт. Температура мишени будет достигать нескольких кэВ, при этом она сожмется в 1000 раз. Все 192 УФ-лазера (третья гармоника излучения неодимового стекла) берут своё начало от одного инфракрасного лазера, луч которого делится на множество потоков. Каждый из них пробегает в общей сложности по 300 м, проходя последовательно цепочку из гигантских лазерных усилителей и преобразователей
масштабов реакции синтеза они находятся в настоящее время в интервалах 1015-10к> Вт, 5-16 не и 0.1-2 кэВ, соответственно [9].
Вс Си (0.9%) - 86цm
Рис.1.1. Криогенная мишень для инициирования ядерной реакции синтеза с быстрым поджигом на NIF.
13
частоты. Длительность каждого импульса составляет порядка наносекунды — нескольких наносекунд, а согласование времени прихода всех лучей к мишени таково, что расхождение между самым «торопливым» и самым «опаздывающим» импульсом не превышает 30 пикосекунд. В непрямой схеме Рис.1.2 каждый луч попадает в строго отведённую ему точку на внутренней поверхности золотого контейнера, где фокусируется в круг диаметром 50 мкм.
Последние известия о работе установки NIF на конец апреля 2011г. [10]: 31 октября 2010 был установлен рекорд 3*1014 по нейтронному выходу на установках для инерциального ядерного синтеза. Лазерное излучение с энергией 121 кДж в прямой схеме сжало стеклянную сферическую мишень, наполненную DT газом. 2 ноября был проведён эксперимент с рекордной лазерной энергией, составившей 1.3 МДж в ультрафиолетовом излучении, по нагреву заменителя сферической DT-мишени в хольрауме. Предварительный анализ показал, что полость поглотила -90% лазерной энергии и согрелась до температуры 300 эВ, что является наивысшим достижением в непрямой схеме нагрева.
В объединённой Европе строится лазер HiPER (European High Power laser Energy Research facility) на котором в 2011-2012 годах планируется продемонстрировать эффективность схемы с дополнительным быстрым поджигом (fast ignition), многократно превосходящей по выходу традиционный моноимпульсный подход. Так по расчётам, проведённым для NIF'a 4 МДж в инфракрасном излучении генерируют выход энергии синтеза в традиционном прямом подходе около 20 МДж. Эго соответствует умножению энергии в 5 раз. При использовании схемы с быстрым поджигом на будущей установке HiPER, где в основном варианте буде использовано два лазерных импульса с суммарной энергией 270 кДж, коэффициент умножения энергии составит -100, при термоядерном выходе 25-30 МДж. К тому же лазер HiPER, меньший по сравнению с NIF'om, и стоит на порядок меньше, чем старший брат.
Один из мощнейших лазеров в России ИСКРА-5 способен генерировать инфракрасный, 1.315 мкм, импульс с энергией 30 кДж длительностью 0.25 не. Максимальный выход нейтронов на установке в термоядерных экспериментах составлял Ю10 ч- ю11 за "выстрел". В 2018 году планируется построить установку "УФЛ-900": 128 лучей, 300 кДж на длине волны 351 нм при длительности 1-3 не.
Быстрые сильноточные Z-пинчи
В последние два десятилетня наблюдается прогресс в достижении высоких плотностей энергии в экспериментах с цилиндрическими нагрузками, сжимающимися под действием протекающего по ним вдоль оси электрического тока: быстрыми Z-
14
пинчами. Они открывают новые возможности в экспериментах по генерации мощного импульса излучения в широком рентгеновском диапазоне, в том числе и для управляемого термоядерного синтеза. В настоящее время они являются самыми интенсивными лабораторными источниками мягкого рентгеновского излучения (1.8 МДж за 5 не на установке Z [11]). Его мощность превышает 200 ТВт. Предлагаемый читателю обзор содержит различные аспекты физики Z-пинчей: организацию симметричного протекания тока, неустойчивости на разных стадиях имплозии (сжатия) и способы их подавления.
Самосжимающиеся конфигурации плазмы являются завораживающими своей простотой и эффективностью объектами в физике плазмы. L. Tonks [12] ввёл термин "пинч" для их обозначения. Позже появились уточняющие конфигурацию обозначения: Z-пинч для самосжимающейся цилиндрической плазмы под действием протекающего вдоль оси Z электрического тока и 0- пинч для кольцевого тока. Широким фронтом стали изучаться Z-пинчи в пятидесятых годах двадцатого столетия в связи с исследованиями по управляемому термоядерному синтезу [13]. Сразу же стало понятно, что самосжатие подвержено неустойчивостям: перетяжсчным (sausage) - это мода т=0, винтовым (kink) - т=1 и другим [14]. Вследствие этих неустойчивостей сопротивление плазмы резко возрастало, и появлялся сильный всплеск напряжения. Именно этот импульс напряжения был причиной ускорения дейтронов и рождения нетепловых нейтронов в дсйгсриевых электрических разрядах [15]. В результате интерес к Z-пинчам как перспективным для управляемого термоядерного синтеза объектам сильно угас. Новая волна интереса к Z-пинчам пошла в конце восьмидесятых годов, когда появилось новое поколение мощных импульсных генераторов тока. Эти генераторы отличались от первых коротким временем нарастания тока -100 не, то есть более чем на порядок увеличенной мощностью при электрических токах, превосходящих мегаампер.
Необходимо отметить, что первые три десятилетия оставили весомое наследство в виде экспериментов и теоретических наработок по равновесию в пинчах [14]. Была осознана роль тока Пизе - Брагинского [16, 17], согласующего радиационные потери плазмы с её омическим нагревом и составляющего для водорода величину 1.4 МЛ независимо от плотности и радиуса плазменной колонны. Установлена роль инерции плазмы [18], дополняющей магнитное давление в беннетовском равновесии плазмы
[19]. В 1980 году была опубликована простая модель развития перетяжки в Z- пинче
[20], в рамках которой в условиях динамического равновесия Беннета и скинирования
15
тока плазма вытекает из перетяжки через осевые концы, что приводит к сильному нагреву оставшегося вещества.
В начале восьмидесятых годов на новой волне интереса начались исследования различных вариантов быстрых Z-пинчен, наиболее успешными из которых представляются пинчи на первоначально твёрдотельной цилиндрической нагрузке и имплодирующие газовые струи (от английского слова implode — взрываться вовнугрь). Особый интерес представляют полые Z-пинчи, которые обычно называются "лайнером", под которым понимают не только газовые струи, но и другие нагрузки: фольги, пену, многопроволочные сборки и т.п. Сценарии динамики этих двух видов пинчей существенно различаются. Пинчи на сплошной твёрдотельной цилиндрической нагрузке, имеющее в первоначальном состоянии диаметр 20 - 200 мкм, эволюционируют близко к равновесию Беннета, когда давление плазмы в приосевой области отслеживает магнитное давление электрического тока. В противоположность этому сценарию, кольцевые газовые струи, имеющие начальные диаметры в несколько сантиметров, на всей дистанции схлопываются практически свободно, и только после достижения минимального радиуса испытывают противодавление плазмы и расширяются обратно от оси.
Соответственно этим двум сценарием существенно различаются и неустойчивости, которым подвержены эти виды пинчей на разных стадиях схлопывания. Так, Рэлей-Тейлоровская неустойчивость, несущественная для сплошных имплодирующих струй, имеет первостепенное значение для пинчей с тонкими цилиндрическими фолыами.
Виды нагрузок для быстрого Z-пинча.
Для первоначального формирования профиля плотности нагрузки используются как газовые, полые и сплошные, струи, так и тонкие металлические фольги и проволочки, пластиковые плёнки, пенистые цилиндры из аэрогсля или агар-агара, имеющие среднюю плотность от нескольких грамм до нескольких миллиграмм в кубическом сантиметре. По сравнению с газовыми струями твёрдотельные нагрузки имеют большую однородность, точную массу и требуемую геометрию.
Не обязательно все нагрузки должны иметь высокую начальную электропроводность. Когда эксперимент требует предсказуемой начальной организации разряда в нагрузке, то обычно применяют тонкие проводящие покрытия твёрдой нагрузки, либо предыонизацию газовых струй различными методами. Металлические нагрузки в процессе нагрева при переходе в плазменную фазу тоже имеют свою особенность: они неминуемо проходят "паузу проводимости".
16
Необходимо отметить, что равномерное протекание электрического тока по периферии нагрузки является необходимым условием её симметричного сжатия.
foam convertor
wire arrav
inner (nest) wire arrav
4 cm
Рис.1.3. Сложная нагрузка Z-пинча для установки Z, Sandia США.
Многообещающими являются появившиеся в 1990-х годах многопроволочные сборки, составленные из сотен равноотстоящих друг от друга по окружности проволочек толщиной в несколько микрон [21]. Именно на них был получен рекордный по мощности и энергии рентгеновский импульс [22]. Для различных целей, в том числе и для ИТС, вовнутрь таких сборок помещают пенистые цилиндры и более сложные структуры, включая сферические термоядерные мишени Рис. 1.3 [23, 24].
Естественным для более эффективной кумуляции энергии является и стремление экспериментаторов осуществить трёхмерное сжатие сплошных сферических лайнеров из тонкой фольги и многопроволочных конструкций [25, 26, 27].
Генераторы тока
Значительный прогресс в исследованиях Z-пинчей стал возможен благодаря развитию техники мощных генераторов тока. В настоящее время крупнейшими машинами со временем нарастания тока -100 не являются расположенные в лаборатории Sandia (США) генератор "Сатурн" [28], развивающий электрическую мощность 20 ТВт при токе в максимуме - 10 МА и обновлённая в 2010 году установка "ZR" (Рис. 1.4), способная развивать электрический ток 26 МА и мощность -100 ТВт [29]. В России самыми мощными установками класса «100 не» являются Ангара 5 (более 4 МА) в ТРИНИТИ и С-300 (3 МА) в Курчатовском институте. Крупнейшие генераторы тока используют импульсные генераторы Маркса для создания импульса высокого напряжения, который далее укорачивается на водяных формирующих линиях и передаётся из воды на так называемые вакуумные линии с магнитной самоизоляцией (Magnetically Insulated Transmission Lines- MITL), которые подводят энергию электрического импульса к осесимметричному высоковольтному диоду (см. Рис.1.4). Для работы с более тяжёлыми лайнерами используются относительно медленные
17
импульсные электрические генераторы микросекундного диапазона. Крупнейшими из них являются Shiva Star (12.5 МА, 15 мкс), расположенный в Phillips лаборатории США [26], и Pegasus (с плазменным размыкателем тока -6 МА, 0.6 мкс),
Main Water Switch
Peaking Water Switch
Water
Convolute
Experimental
Load/Target
Generator
Рис. 1.4. Разрез схемы обновлённого генератора ЪК [29]. расположенный в Лос Аламосской Национальной Лаборатории США [30]. В России крупнейшим генератором является этого класса ГИТ 12 Томского Института Сильноточной Электроники (4.7 МА, 1.7 мкс) [31]. Динамика плазмы на генераторах микросекундного диапазона соответствует тем же закономерностям, что и на быстрых 2-п.мнчах, с учётом временных особенностей.
Основные сценарии сжатия плазмы.
Рассмотрим основные закономерности динамики г-пннчей в зависимости от начальной конфигурации нагрузки [32].
Тонкая оболочка.
Будем считать массу оболочки лайнера оптимально согласованной со временем нарастания тока генератора, если она приобретает максимально возможную кинетическую энергию. Это может быть, например, металлическая фольга в форме цилиндра. В согласованном варианте момент сжатия тонкой по сравнению с радиусом оболочки соответствует моменту времени, соответствующему спаду тока на, примерно, 20-30% после его максимума. Начальный этап движения тонкой оболочки при модельном токе і=іо*5Іп2(і/т), где т- момент максимума тока, описывается формулой
18
Дг/г—(1/т)6, где Дг - смещение. Эта зависимость объясняет, что существует длительный период «стояния» лайнера в 2/З т, за который он сдвигается на 10% от начального радиуса, после чего резко ускоряется. Радиационные потери плазмы на стадии ускорения приводят к некоторому уменьшению основного импульса излучения, энергия которого может приближаться в этой модели к полной кинетической энергии.
В действительности существует ряд особенностей в этой модели. Неизбежными из них являются Релей-Тейлоровская неустойчивость [33] и затянутость плазмообразования [34]. По своей сути РТ-неустойчивость описывает "проваливание" тяжёлой жидкости, располагающейся над лёгкой, вследствие появления возмущения вдоль границы их раздела. РТ неустойчивости подвержены и сплошные металлические [35], и пластиковые, и газовые оболочки. Ранее проведённые эксперименты с применением таких оболочек были недостаточно успешными [36, 37, 38, 39] вследствие быстрого развития неустойчивостей, препятствующих достижению необходимого сжатия токонесущей плазмы.
Затянутость плазмообразования связана с постепенным переходом вещества с поверхности твёрдой фазы в плазменную под действием тепловыделения.
На всех стадиях разряда активно развиваются магнотогидродинамические неустойчивости плазмы, приводящие к перераспределению массы, к неоднородности протекания тока по нагрузке и даже к срыву тока. В любой момент при развитии турбулентности может включиться аномальное сопротивление, которое способно привести как к перечисленным нежелательным последствиям на стадии ускорения, так и полезному увеличению выхода рентгеновского импульса в конечной стадии сжатия.
Сплошная нагрузка
В случае слабо излучающего материала, например Э-Т газа, сплошная по радиусу нагрузка отличается от тонкой оболочки появлением ударной волны, создающей первоначальные поджатие и нагрев нагрузки. Сильная ударная волна успевает отразиться от оси и дойти обратно до магнитного поршня к моменту, когда радиус будет составлять М/4 1% . После этого устанавливается квазиравновесие теплового давления и магнитного (равновесие Беннета), в рамках которого происходит дальнейшее адиабатическое сжатие нагрузки. Понятно, что давление в конечной фазе сжатия в пинче с распределённой по радиусу массой, оказывается существенно меньше давления, которое соответствует сжатию тонкой оболочки.
Если материал нагрузки с распределённой по радиусу массой состоит из сильно излучающих многоэлектронных атомов, то сценарий сжатия будет близок к случаю
19
- Київ+380960830922