Содержание
Введение...................................................................5
Глава 1. Обзор литературы. Состояние исследований плазменного
фокуса...........................................................31
1.1 История исследований плазменного фокуса..............................31
1.2 Общая картина физических процессов в установках типа плазменный фокус....................................................34
1.3 Основные свойства плазмы в ПФ и механизмы генерации
жестких излучений...................................................37
1.3.1 Теоретическое описание процессов в плазмофокусном разряде..........37
а) МГД стадия.......................................................37
б) Турбулентная стадия..............................................39
1.3.2 Ток................................................................40
1.3.3 Динамика плазмы и ее плотность.....................................41
1.3.4 Температура плазмы в ПФ............................................41
1.3.5 Нейтронное и жесткое рентгеновское излучения.......................42
Глава 2. Экспериментальные установки.....................................46
2.1 Установки "Флора" и "Тюльпан" (ФИАП).................................46
2.2 Установка 1 МДж плазменный фокус (Фраскати)..........................52
2.3 Установка "Пламя"................................................. 54
2.4 Установка ПФ-3 (ИЯС РНІД "Курчатовский институт")....................54
2.5 Установка РР-1000 (Институт физики плазмы и лазерного микросинтеза) 55
Глава 3. Методики исследования ПФ........................................58
3.1 Теневые, шлирен- и интерферомстрическис методы диагностики
плазмы...............................................................59
3.1.1 Распространение электромагнитной волны в оптической неоднородности......................................................62
3.1.2 Лазер как источник света для методов диагностики плазмы, основанных на рефракции зондирующего электромагнитного излучения......................................................... 64
3.2 Интерферометрический метод измерения плотности плазмы................71
3.2.1 Типы интерферометров...............................................71
3.2.2 Интерферометрия в двух длинах волн.................................75
3.2.3 Многокадровая интерферометрия......................................76
3.3 Теневой метод........................................................76
3.4 Диагностика плазмы ПФ с использованием электронно-оптического преобразователя в видимом и рентгеновском диапазонах
длин волн...........................................................82
3.5 Нейтронная диагностика...............................................83
2
3.6 Рентгеновская диагностика...........................................90
3.7 Регистрация тока....................................................91
Глава 4. Экспериментальные результаты...................................93
4.1 Динамика плазмы ПФ.................................................93
4.1.1 Начальная стадия разряда..........................................94
4.1.2 Динамика и структура токово-плазменной оболочки и иинча (стадия плотного плазменного фокуса)............................................96
а) Установка 1 МДж плазменный фокус в Центре Фраскати...............96
б) Установки "Флора" и "Тюльпан" (ФИАН)............................108
в) Установка ПФ-3..................................................115
4.2 Рентгеновское излучение...........................................123
4.2.1 Мягкое рентгеновское излучение...................................123
4.3 Нейтронное излучение..............................................125
4.4 Динамика и эмиссионные свойства плазмы ПФ при инжекции лазерной плазмы внутрь пинча.......................................128
4.5 Структура токово-плазменной оболочки, распределение тока...........133
4.6 Сферические плазменные структуры в ПФ..............................136
4.7 Кумулятивные плазменные потоки (струи).............................138
Глава 5. Обсуждение результатов........................................146
5.1 Самоорганизующиеся токово-плазменные структуры в
плазменном фокусе..................................................147
5.2 Ириэлектродные эффекты, динамика плазмы в зоне контакта плазма-.......
электрод...........................................................158
5.3 Эффект “убегания” токовой оболочки вблизи анода (рентгеновский режим ПФ)..........................................................160
5.4 Эффективность «сгребания» токовой оболочкой рабочего газа плазменного
фокуса.............................................................161
5.5 Насыщение нейтронного выхода на установках мегаджоульного
уровня.............................................................166
Глава 6. Применение установок типа плазменный фокус
в технологиях.................................................174
6.1 Применение высокоскоростных плазменных потоков ПФ для создания новых материалов и их модификации.......................174
6.1.1 Воздействие высокотемпературной импульсной дейтериевой
плазмы на ванадий и сплавы V-Ga-Si. Испытание материалов.........177
6.1.2 Создание нанодисперсных материалов и наноструктурных
покрытий распылением материалов мощным импульсом ...................
высокотемпературной плазмы.......................................184
6.1.3 Легирование металлов химически не взаимодействующими с ними ........
элементами при помощи концентрированных импульсных
потоков энергии..................................................189
3
6.2 Установка ІІФ как источник мягкого рентгеновского и далекого.......
Заключение.............................................................197
Литература.............................................................203
Приложение 1. Основное содержание диссертации опубликовано
в работах:.............................................221
4
Введение. Актуальность темы
Диссертация посвящена исследованию физических процессов в импульсной плазме, создаваемой мегаамперным током в установках типа плазменный фокус и ее применениям в технологиях, а также разработке методов диагностики плазмы.
В настоящее время ведутся интенсивные исследования по созданию мощных импульсных источников нейтронного и рентгеновского излучений, корпускулярных и плазменных потоков на основе быстрых электроразрядных устройств. Необходимость создания таких источников обусловлена потребностями техники (интроскопия, разведка полезных ископаемых, материаловедение, создание экологически чистых источников ядерных излучений), обороны (моделирование в лабораторных условиях ядерного взрыва), энергетики (термоядерный синтез, испытание материалов, предназначаемых для использования в термоядерных устройствах), медицины (нейтронно-захватная терапия, лучевая терапия в онкологии, диагностика и др.) и др.
Среди электроразрядных устройств, на основе которых разрабатываются импульсные источники излучений, можно отметить установки Ангара-5, С-300 (ИЯС РНЦ «Курчатовский институт»), «PBFA-II» (или Z) (USA). Основным отличием этих установок является короткий импульс тока - порядка 100 не, высокое ^напряжение - 10° В, максимальный ток - несколько MA, высокий выход мягкого рентгеновского и нейтронного излучений (1012 н/имп). В тоже время следует отмстить, что все эго достигается за счет исключительной сложности установки и, соответственно, огромной ее стоимости.
Другим подходом при создании импульсных источников излучений является метод, основанный на генерации плазмы в установках типа плазменный фокус (ПФ). Данное направление исследований получило свое развитие благодаря работам Н.В. Филиппова и Т.И. Филипповой по генерации импульсной высокотемпературной плазмы в быстрых Z- пинчевых устройствах
5
[1] На этих установках были получены рекордные выходы нейтронного и рентгеновского излучений. Несколько позже при создании плазменных инжекторов Дж. Мейзер (США) пришел к аналогичным результатам [2].
Несмотря на длительную историю исследований плазменного фокуса, остается целый ряд не до конца изученных плазменно-динамических процессов, существенно влияющих на эмиссионные свойства разрабатываемых источников излучений. Это, прежде всего, механизмы генерации жестких излучений и пучков ускоренных частиц, механизмы генерации нейтронного излучения и причины его насыщения на мегаджоульных установках, механизмы образования в плазмофокусном разряде так называемых горячих точек и самоорганизующихся токово-плазменных структур и их влияние на характеристики жестких излучений ПФ; свойства плазмы в зоне высокоскоростного динамического контакта плазма - электрод, дефицит ионов в зоне контакта и его влияние на динамику плазмы и величину тока, и ряд других явлений.
Личный ВКЛАД АВТОРА И ОСНОВНАЯ ЦЕЛЬ РАБОТЫ
В исследованиях, вошедших в диссертацию, автору принадлежит постановка задач, разработка и создание моделей физических процессов, формулировок целей и задач экспериментов, анализ и интерпретация их результатов.
Основной целью цикла работ, выполненных автором, была реализация комплексного подхода к исследованию физических процессов, протекающих в сильноточном разряде типа плазменный фокус. С этой целью автором диссертации были разработаны такие диагностики как сверхскоростное лазерное многокадровос зондирование плазмы (интерферометрия и теневое фотографирование), диагностика излучения плазмы в оптическом и рентгеновском диапазонах с временным и пространственным разрешениями. С целью увеличения выхода жестких излучений для реализации метода комбинированного лазерно-пучкового нагрева плазмы при непосредственном
6
прямом и решающем участии автора создана установка "Флора"[3,4], состоящая из мощного 16-канального лазера на неодимовом стекле и плазменного фокуса с энергетикой 40 кДж. В дальнейшем, после проведения модернизации установки за счет увеличения энергетики плазменного фокуса до 400 кДж и дополнения ее установкой - ПФ-4 (с энергоемкостью 15 кДж), был создан плазменный комплекс "ТЮЛЬПАН"[5]. В настоящее время этот комплекс имеет статус уникальной установки и имеет финансовую поддержку Минобрнауки.
На защиту выносятся следующие положения:
1) Результаты изучения динамики плазмы и измерения ее параметров в основных режимах работы установках типа плазменный фокус с различной модификацией электродов и энергетикой;
2) Результаты исследования физических явлений, возникающих при воздействии на плазму ПФ мощного импульса лазерного излучения;
3) Результаты исследований самоорганизующихся токово-плазменных структур в пинче и их влияние на характеристики жестких излучений ПФ;
4) Результаты исследований по разработке методов создания новых материалов и модификации их свойств на основе импульсного воздействия мощных энергетических потоков, генерируемых в установках типа плазменный фокус;
5) Результаты исследований по разработке методов повышения эффективности трансформации запасенной в конденсаторах энергии в ток разряда мощного (100 кДж-1МДж) плазменного фокуса;
6) Результаты изучения масштабной закономерности (скэйлинга) нейтронного выхода от энергии в конденсаторном накопителе и тока на установках ПФ различных модификаций и энергоемкости.
7
Научная новизна. Практическая ценность.
На сегодняшний день созданный при непосредственном и прямом решающем участии автора диссертации уникальный плазменный комплекс "Тюльпан", состоящий из мощного лазера и установок типа плазменный фокус, не имеет аналогов в мире. Современный уровень поддерживается за счет непрерывного наращивания мощности плазменного фокуса и создания новых установок, которые работают в широком диапазоне энергий, а также расширения диагностического комплекса и применения современной цифровой системы регистрации и обработки экспериментальных данных. Наличие в составе комплекса плазменных установок с энергетикой от 4 кДж до 0,4 МДж, обеспечивает получение тока в плазме от 300 кА до 3 МА с плотностью выше 10 А/см , что позволяет изучать возникающие при таких экстремальных условиях фундаментальные свойства плазмы, масштабные закономерности физических явлений и выхода жестких излучений, мощности корпускулярных и плазменных потоков и их воздействие на различные вещества и материалы.
Отличительной особенностью комплекса являются:
- возможность одновременного применения мощного импульса тока величиной несколько мегаампер и лазерного излучения для создания и нагрева плазмы;
- в наличии многофункционального диагностического комплекса, позволяющего проводить исследования плазмы с использованием 9 методик;
- в возможности применения плазменного комплекса «Тюльпан» для технологических и материаловедческих целей.
Научная новизна результатов исследований основывается:
- на комплексном исследовании плазмы в установках ПФ, основанном на одновременном использовании нескольких взаимодополняющих диагностик;
8
- на проведении исследований на установках с энергетикой в диапазоне от 4 кДж до 2,8 МДж в разных лабораториях, как в России, так и за рубежом.
В результате выполненных исследований:
- разработаны следующие диагностические методы исследования плазмы: метод высокоскоростного многокадрового интерферометрического и теневого зондирования, методы изучения мягкого рентгеновского излучения с временным и пространственным разрешением, методы изучения нейтронного излучения, зондовые методы измерения магнитного поля и тока, методы изучения динамики плазмы и кумулятивных потоков с использование электронно-оптических преобразователей и др.
- разработаны диагностические лазеры, позволяющие проводить исследование плазмы с временным разрешением в пи ко- и наносскундном диапазоне;
- получены новые данные о динамике и устойчивости плазмы, создаваемой в установках типа плазменный фокус;
- получены новые данные о распределении плотности, температуре, о скорости радиального сжатия плазмы при разных давлениях рабочего газа и различного газового состава;
- получены новые данные о механизмах генерации жестких излучений и эффективности преобразования электрической энергии в излучения;
- получены новые данные о свойствах кумулятивных плазменных потоках, генерируемых в ПФ;
- показано, что насыщение нейтронного выхода мсгаджоульных установок типа плазменный фокус обусловлено ограничением роста (насыщением) полного тока разряда при увеличении энергетики установки только за счет увеличения емкости конденсаторного накопителя;
9
- показано, что для установок типа плазменный фокус существуют два взаимодополняющих способа повышения тока разряда: увеличение напряжения и уменьшение относительного межэлектродного промежутка.
- показано, что установки типа плазменный фокус могут быть использованы как источники мягкого рентгеновского излучения для рентгенолитографии, микроскопии изучения структуры материалов методами малоуглового рассеяния, а также для изучения физики воздействия мощных плазменных потоков на материалы, и их модификации и создания новых материалов.
В результате исследований но воздействию мощных высокоскоростных потоков плазмы на материалы показана возможность:
- поверхностного и объемного упрочнения сплавов металлов под воздействием ударных волн за счет деформации и внедрения дейтерия в структуру сплава;
- создания на поверхности материала покрытий из элементов, практически в нем не растворимых, например, медь на поверхности вольфрама или сапфира.
Полученные в работе результаты имеют большое значение для понимания физических процессов, происходящих в сильноточном разряде типа плазменный фокус. Результаты могут быть использованы при разработке и создании мощных источников жестких излучений, а также в исследованиях, ведущихся по программе УТС с магнитным и инерциальным удержанием плазмы. Полученные результаты могут быть использованы при создании теоретических моделей процессов в сильноточных разрядах типа 2-пинч. Результаты по воздействию высокоскоростных плазменных потоков на материалы могут быть использованы при создании технологий новых материалов.
10
Апробация работы
Результаты выполненных работ докладывались на международных и российских конференциях, публиковались в научных журналах и трудах конференций. В частности материалы диссертации докпадовались на 19,20,21,22 Международных симпозиумов по физике плазмы и технологиям (1996,2000,2002,2004,2006) в Праге, на Международных конференциях «Plasma-1999», «Plasma-2001», «Plasma-2003», «Plasma-2005» в Варшаве, на Международных конференциях по физике плазмы и УТС в Алуште (2002, 2004, 2006), на Европейской конфенции по физике плазмы Европейского физического общества (EPS) (1998, 2004) в Лондоне, на Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС и др.
По теме диссертации опубликовано 72 работы в отечественных и зарубежных журналах: Физика плазмы, Квантовая электроника, Краткие сообщения по физике, Physica Scrypta, Nukleonika, SPIE, Перспективные материалы, Прикладная физика, Письма ЖЭТФ, Czechoslovak Journal of Physics, Journal of Technical Physics, Journal of "Problems of Atomic Science and Technology" Series "Plasma Physics", Нанотехника, Труды ФИАН, кн. «Энциклопедия низкотемпературной плазмы», Вводный том II, под ред. В.Е. Фортова, и др. (см. Приложение 1 - Список публикаций по теме диссертации).
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из Введения, 6 - ти глав и Заключения, содержит 5 таблиц, 81 рисунок, библиографию из 162 наименований.
Содержание работы.
Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи проведенных исследований, определены научная новизна и практическая значимость работы, приведены защищаемые положения.
В Главе 1 содержится обзор литературы и состояние исследований плазменного фокуса.
11
В разделе 1.1 дается история развития исследований плазмы, получаемой в установках типа плазменный фокус, приводится описание установок двух основных модификаций - филипповской и мэйзеровской и основные свойства получаемой в них плазмы. Показывается, что достоинством установок ПФ является высокий выход нейтронного излучения и его квадратичная зависимость от энергетики установки. Вместе с тем указывается что, на установках мегаджоулыюго уровня имеет место насыщение нейтронного выхода. Насыщение нейтронного выхода стимулировало исследования по выяснению физических процессов, ограничивающих увеличение нейтронного выхода и поиск новых методов использования сильноточного разряда типа плазменный фокус для создания источников рентгеновского и нейтронного излучений: с использованием лазерного воздействия на плазменный фокус и с использованием ПФ в качестве токового - плазменного драйвера для сжатия лайнерных мишеней.
В разделе 1.2 дается общая картина физических процессов в ПФ. Указывается, что большой вклад в понимание физики плазмы в ПФ внесли его создатели - Н.В. Филиппов и Т.Н. Филиппова. Проведенные ими исследования с использованием интегральных рентгеновских камер-обскур, нейтронных активационных детекторов, регистраторов жесткого рентгеновского излучения на основе ФЭУ, совмещенных со сцинтилляторами, поясов Роговского, дали общее представление о динамике плазмы, ее плотности и локализации, температуре, о свойствах нейтронного и жесткого рентгеновского излучений. [33, 34|. Исходя из совокупности исследований ПФ, выполненных к настоящему времени, физические процессы в 11Ф-разряде можно разделить условно на 4 основные фазы, которые обычно используют при описании работы установок типа ПФ, начиная с момента подачи импульса высокого напряжения: 1 - пробой газоразрядного промежутка вдоль поверхности изолятора и формирование токово-плазменной оболочки (ТПО), 2 - движение ТПО в межэлектродном пространстве и ее выход на торец электродов, 3 -радиальное сжатие ТПО на оси установки, кумуляция ТПО с образованием
12
пинча (первое сжатие) и развитом МГД неусточивостей псрстяжечного типа (т = 0), приводящих ко второму сжатию пинча, 4 - турбулентная фаза - стадия распада пинча, сопровождаемая вспышкой жесткого рентгеновского и нейтронного излучений.
В разделе 1.3 описываются основные свойства плазмы в ПФ и механизмы генерации жестких излучений - нейтронного и рентгеновского.
В разделе 1.3.1 сделан краткий обзор теоретических описаний процессов в ПФ. Дается описание моделей, используемых на различных стадиях ПФ разряда, в том числе - модель скин-эффекта для описания процессов в начальной стадии разряда, модели snow-plough и трехжидкостная МГД модель для описания движения ТПО. Стадия плотного пинча и его развала изучается в рамках неидеальной МГД модели с учетом процессов ионизации в нейтральном газе [115]. Приводятся МГД уравнения и уравнения для тока в разрядном контуре. Указывается, что результаты МГД расчетов достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными. В месте с тем имеются и существенные различия. Так, из расчетов не следует наличие различных режимов динамики ТПО (пинчевый, рентгеновский) и разнообразие сс МГД неустойчивостей, существенно влияющих на эмиссионные свойства плазмы ПФ. До сих пор не достаточно развито теоретическое описание процессов, происходящих во время турбулентной стадии.
В разделах 1.3.1-1.3.5 приводятся данные но измерению тока, динамике плазмы, ее плотности и температуре. Измерения тока, как правило, выполняемые с помощью поясов Роговского, дают информацию о полном токе, идущем через разрядную камеру, в то время как в измерениях тока идущего непосредственно через пинч, имеется много неопределенностей. Много сложностей вызывает измерение температуры плазмы. Из анализа литературы следует, что в разных экспериментах температура сильно отличается и лежит в диапазоне от 300 эВ до 9 кэВ. Трудности с измерением температуры связаны с ее быстрым изменением во времени, из-за наличия ускоренных ионов, а также с ее неоднородным распределением по объему
13
пинча (горячие точки). Приводятся данные по механизмам генерации жесткого рентгеновского и нейтронного излучений. Отмечается, что до сих не существует модели, в рамках которой можно было бы объяснить характеристики эмиссии быстрых частиц, в особенности в диапазоне энергий нескольких МэВ. Приводятся масштабные закономерности (скэйлинги) абсолютного выхода нейтронного излучения от энергетики установки (~ Е2) и тока (/4). Указываются, что скэйлинг по энергии выполняется на установках с энергетикой не более 500 кДж. На мегаджоульных установках наблюдается эффект насыщения нейтронного выхода. Следует отметить, что нейтронные измерения с мегаджоульной энергоемкостью производились только на мэйзеровских установках. Приводятся данные по различным установкам.
В Главе 2 дается описание плазмофокусных установок, на которых проводились исследования, вошедшие в материал диссертации. Исследования проводились на установках филипповской и мэйзеровской модификаций с энергозапасом от 4 кДж до 2,8 МДж.
В главе 3 описываются разработанные и примененные автором диссертации методики исследования плазмы, получаемой в установках типа плазменный фокус.
Спецификой плазмофокусного разряда являются:
- высокая скорость ТПО и кумулятивного потока (порядка 10 - 10х см/с);
- плотность плазмы от 1017 до 1021 см'3;
- большие амплитуды тока (более 106А) и его плотности (более 107 А/см2);
- высокая интенсивность нейтронного излучения;
- высокая скорость изменения тока в момент так называемого его обрыва 10|4А/с ;
- значительные изменения в свойствах в течение разряда: от малоплотной и низкотемпературной (п ~ 1016 см'3, Т - 10 эВ) в
14
начале разряда до высокотемпературной и достаточно плотной в момент кумуляции ТПО (п ~ 1019 см'3, Т - 1000 эВ).
- высокая интенсивность излучений в широком диапазоне длин волн от микроволнового до жесткого рентгеновского излучения.
При исследовании плазмы с такими свойствами возникает также ряд технических сложностей из-за наличия сильных электромагнитных наводок, обусловленных резкими изменениями тока. С учетом перечисленных факторов был разработан диагностический комплекс, обладающий следующими характеристикам и:
- высокая степень помехозащищенности системы синхронизации диагностики с моментом исследуемого процесса, устойчиво функционирующая в условиях сильных электромагнитных наводок, обусловленных «обрывом» мегаамперного тока ПФ разряда;
- высокое (наносекундное и пикосекундное) временное разрешение необходимое при исследовании таких процессов как кумуляция ТПО, образование неустойчивостей (МГД и кинетических), генерации жестких излучений.
- высокое пространственное разрешение порядка одного микрона при исследовании структуры ТПО и пинча.
- одновременное использование нескольких диагностик в течение одного разряда установки в связи с низкой воспроизводимостью процессов, протекающих во время турбулентной фазы;
- регистрация электрических импульсов и изображений с использованием цифровой техники.
В разделах 3.1 - 3.3 дается описание методов исследования плазмы с помощью лазера - теневых, шлирен- и интсрферометрических диагностических методов. Дается краткое описание физических явлений, на которых
15
основываются лазерные методы диагностики плазмы. Показывается, что для условий характерных для ПФ, плазма представляет собой фазовый объект, так как поглощение зондирующего излучения незначительно.
Методы математической обработки интерферограм и тенеграм рассмотрены в разделе 3.3
В разделе 3.4 рассмотрены методы диагностики плазмы в видимом и рентгеновском диапазонах длин волн с использованием электроннооптического преобразователя на основе МКП. Электронно-оптические диагностики, как и лазерные, позволяют изучать пространственную картину движения токовой оболочки в Z-пинчевых разрядах. Лазерные методы, обладая рядом преимуществ (возможностью измерения плотности плазмы, магнитных полей и т.д.), довольно сложны и дороги. Методы с использованием ЭОП -просты и надежны, а применение в них для регистрации изображения цифровых фотоаппаратов позволяет оперативно менять тактику проведения эксперимента.
В разделе 3.5 описана нейтронная диагностика. Для регистрации короткого по длительности (-100 не) нейтронного выхода из импульсных источников типа плазменный фокус была разработана специальная система детектирования [57,67], позволяющая проводить измерения абсолютного нейтронного выхода на установках 11Ф различной мощности. При разработке данной системы учитывались специфические для ПФ экспериментов условия -наличие мощных потоков электромагнитного излучения плазмы и интенсивных электрических и магнитных помех. В качестве нейтронных детекторов применялись галогенные гейгеровские счетчики двух типов СТС-5 и СТС-6, размещаемые внутри контейнсра-замедзитсля нейтронов.
В разделе 3.6 приведено описание диагностики рентгеновского излучения. В области 1-20 А исследования проводились с помощью камеры -обскуры, совмещенной с детектором на основе микроканального усилителя, состоящего из МКП пластины, имеющей четыре независимых сектора. Для получения линейчатого спектра многозарядных ионов использовался рентгеновский спектрограф с выпуклым кристаллом слюды. Спектрограф
16
соединен с 4-х канальным усилителем света на основе МКП. Временное разрешение 3 не, задержка между каналами 3-10 не.
Регистрация импульсов рентгеновского излучения в диапазоне от 100 эВ до 40 кэВ осуществлялось с использованием фотоэлектронных умножителей типа ЭЛУ и полупроводников датчиков типа СППД11-04. Сигналы с датчиков заводились на осциллографы 6ЛОР-04 и ТО8-220. При использовании ФЭУ рентгеновское излучение преобразовалось с помощью сцинтилляторов типа РОРОР в зеленый свет. Данная методика обеспечивала не временное разрешение. Для спектрального анализа рентгеновского излучения применялись фильтры из различных материалов - бериллия, алюминия, меди, свинца и др.
В разделе 3.7 приведено описание методов измерения тока и его пространственной структуры. Измерения проводились с использованием пояса Роговского и магнитных зондов устанавливаемых в разрядной камере Г1Ф [60,61]. Сигнал с пояса Роговского подаватся на осциллограф ТО8-220. Калибровка измерительной системы осуществлялась при разряде на цилиндрический шунт, устанавливаемый в центре камеры ПФ.
Для изучения пространственного распределения тока в разрядной камере проводились измерения магнитного поля с помощью миниатюрных магнитных зондов, устанавливаемых в разных местах разрядной камеры ПФ.
В главе 4 приведены данные по исследованию динамики плазмы и ее излучательных характеристик в установке типа плазменный фокус на протяжении всего разряда, начиная с момента подачи напряжения на анод установки. Исследования проводились с помощью лазерного зондирования, с помощью электронно-оптических и зондовых методик.
Выбор методики исследования определялся свойствами плазмы на разных стадиях плазмофокусного разряда. Гак, на начальной стадии, т.е. сразу после подачи напряжения на анод установки, когда плазма является низкотемпературной и малоплотной, наиболее предпочтительным оказачась регистрация самосвечения плазмы в оптическом диапазоне с использованием
17
камеры-обскуры, совмещенной с электронно-оптическим преобразователем. В конечной фазе ПФ, во время кумуляции ТПО на оси установки, формирования плотного пинча и вплоть до его развала нами использовались методы лазерного зондирования и фотографирования в мягком рентгеновском диапазоне самосвечения плазмы с помощью камер-обскур как интегральных, так и с разрешением во времени.
В разделе 4.1 приводятся результаты исследования динамики плазмы в установках ПФ и стуктуры токово-плазменной оболочки.
В разделе 4.1.1 приводятся результаты исследований ПФ на начальной стадии разряда. Начальная стадия разряда в ПФ оказывает существенное влияние на свойства Г1Ф в конечной фазе и свойства жестких излучений. В диссертации процессы на данной стадии изучалась с помощью электроннооптических регистраторов на основе МКП с временным разрешением [55].
В результате исследований установлено, что для этой стадии разряда характерно образование предпинча на оси установки и филаментная структура токово-плазменной оболочки. Величина тока в предпинче не более 5% от полного тока. Филаментация ТПО, как правило, проявляется как во время тренировочных разрядов, так и при плохих вакуумных условиях в разрядной камере.
В разделе 4.1.2 приводятся результаты исследований динамики и структуры токово-плазменной оболочки и пинча на стадии образования на оси установки плотного плазменного пинча. Приводятся основные результаты исследований динамики и структуры ТПО в заключительной фазе, проведенных автором с использование лазерных методов на различных установках: Флора - Тюльпан, 1 МДж ПФ в Центре Фраскати, ПФ-3 (РНЦ «Курчатовский институт») [6,34,47,49,50,62, 64,65]
В разделе 4.2 приводятся результаты исследования рентгеновского излучения. При использовании в качестве рабочего газа чистого водорода или дейтерия мягкое рентгеновское (МР) излучение идет из области, занимаемой плазмой пинча, и полностью задерживается фильтром, имеющим границу
18
поглощения около 1 кэВ. Как правило, МР излучение наблюдается в момент максимального сжатия и в момент (или сразу после) разрыва пинча. Диаметр излучающей области в зависимости от энергетики установки изменяется от нескольких мм до 1 и более см.
При работе установки как на дейтерии с добавками инертных газов (неон, аргон, криптон или ксенон), а также на одних инертных газах, либо их смесях наблюдается образование так называемых "горячих точек", рентгеновское излучение из которых оказывается особенно интенсивным.
Плотность плазмы в этих точках достигает величины порядка 1021см'3 [30, 55, 69] а температура несколько кэВ. Размеры «горячих точек» оказываются менее 100 мкм.
В разделе 4.3 приведены результаты исследования нейтронного излучения на установках с энергетикой от 4 кДж до 1 МДж. Использование однотипной методики на установках различной энергоемкости позволило с высокой надежностью установить зависимость нейтронного выхода от энергетики установок. Сравнение результатов по нейтронным измерениям показывает, что скэйлинг по энергетике (У ~ Е2) на мегаджоульных установках не выполняется. Вместе с тем скэйлинг по току (У ~ 1 4) имеет место и на установках с мегаджоульной энергетикой.
В разделе 4.4 приведены результаты исследований влияния мощного лазерного излучения (МЛИ) на динамику физических процессов, протекающих в плазменном фокусе (ПФ), в двух режимах его работы - пинчевом и рентгеновском. Целью данных исследований было выяснение возможности достижения экстремальных величин интенсивности жестких излучений за счет изменения динамики сжатия при сильной неравновесности исходной плазмы, изменения распределения токов через пинч, сильного сжатия пинча. В результате этих исследований установлено, что в пинчевом режиме динамика пинча претерпевает существенные изменения, приводящие к уменьшению минимального радиуса пинча в момент максимального сжатия за счет резкого охлаждение плазмы пинча из-за сильных радиационных потерь. При этом
19
наблюдается значительное увеличение интенсивности МР излучения. Одновременно с уменьшением диаметра пинча в момент максимального сжатия достигается значительное увеличение плотности тока в области перетяжки, что приводит к развитию здесь турбулентных процессов, приводящих к генерации быстрых частиц, который проявляется в появлении второго импульса ЖР излучения.
В рентгеновском режиме воздействие МЛИ на анод до момента появления импульса ЖР излучения над анодом возникает плотный и протяженный пинч, жестко привязанный к месту фокусировки лазера Энергия мягкого рентгеновского излучения пинча (со средней энергией 6 — 8 коВ), излучаемой в полный телесный угол следует, составила около 1 кДж, т. е. несколько процентов от энергии, запасенной в конденсаторной батарее ПФ.
В разделе 4.5 приводятся результаты исследований структуры ТПО с применением магнитных зондов и интерферометрии. Установлено, что сигнал с зондов состоит из двух импульсов. Наличие этих импульсов связывается с двумя областями протекания тока - ударной волной и скин-слоем ТПО. По относительной величине этих импульсов можно сделать вывод о хорошем и плохом сжатии пинча ПФ. При хорошем сжатии первый импульс всегда меньше второго импульса.
В разделе 4.6 приводятся результаты наблюдения образования сферических плазменных структур на установке ПФ-4. Эти структуры имеют место при работе установки с более длинным центральным электродом по сравнению с оптимальным, при котором достигается согласование динамики ТПО с разрядным контуром.
В разделе 4.7 приводятся результаты по исследованию кумулятивных струй в ПФ. Кумулятивные струи возникают вследствие нецилиндричности токово-плазменной оболочки (ТПО). Как правило, токово-плазменная оболочка имеет коническую форму с вершиной, обращенной к аноду (наподобие воронки).. Форма ТПО во многом определяется геометрией электродов. Динамика ТПО, ее форма и плотность плазмы в ней определяют параметры
20
кумулятивного плазменного потока, формируемого в момент схождения ТПО на оси установки. В связи с этим были проведены исследования ТПО в различных режимах работы установки - при разных давлениях рабочего газа, при разных напряжениях зарядки конденсаторной батареи, а также при различной конфигурации электродов. В результате были найдены оптимальные параметры разрядной камеры и начальных условий, позволяющие формировать плазменные потоки с экстремальными параметрами.
В главе 5 дается обсуждение полученных экспериментальных данных. Как показывают эксперименты, проведенные на указанных выше установках, в основных чертах процессы в ПФ сходны. В зависимости от энергетики меняются характерные размеры ТПО и пинча и длительности процессов кумуляции ТПО на оси, продолжительность существования пинча. Типичные значения электрических параметров указанных установок ПФ.
напряжение— 10—40 кУ; максимальный ток — 0,1-5 МА; длительность полупериода тока —2-20 рэ.
В результате проведенных исследований обнаружено, что в ПФ, наблюдается ряд таких эффектов, как:
- азимутальные токово-плазменные структуры (филаменты, нити) - Рисунки 4.2 и 4.7 [6,47,65];
- образование предпинча на начачьной стадии разряда (Рисунок 4.2);
- сферические токово-плазменные структуры (Рисунки 4.56 и 4.35);
- взрывное разрушение токовой оболочки вблизи анода [47];
- продольные токово-плазменные структуры типа плазмоидов (Рисунок 4-3)[76,77];
- абляционный взрыв в центральной части анода и расслоение прианодного облака сложного фазового состава (Рисунок 4.13) [63,64, 95-97];
- эффект “убегания” токовой оболочки вблизи анода (Раздел 4.1.2) [47,64];
21
- Київ+380960830922