2
Оглавление
ОГЛАВЛЕНИЕ 1.........................................................2
ВВЕДЕНИЕ.............................................................5
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА.............................;......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 г-пинчд и переход от распределения плотности почернения к распределению интеграла по
ВРЕМЕНИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЯРКОСТИ г-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 фоле излучения 2-пинча......53
1.5.3. Точечный источник рентгеновского излучения - X- пинч......54
1.5.3.1. Конструкция Х-пинча....................................54
1.5.3.2. Длительность вспышки, размер горячей точки Х-пинча.....57
3
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. О ПОГРЕШНОСТЯХ ИЗМЕРЕНИЙ.......................................70
1.6.1. Ошибки измерения интеграла по времени энергетической яркости 2-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 2-пинча....................................98
2.1.5. Прикатодная плазма.........................................101
2.1.6. Неоднородность плотности плазмы внутри 2-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 пинче 119
2.3. Обсуждение экспериментальных результатов...................121
2.3.1. Токовое сжатие многопроволочной сборки как ''радиальный плазменный ливень ".........................................121
2.3.2. Токовое сжатие влоэ/сенной многопроволочной сборки......126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................129
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
13232
5
Введение.
Более 40 лет назад получили развитие высоковольтные наносскундные 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 РВРА-1 и РВРА-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 [И]) 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 Ъ (Бапсйа, США) при токе 18 МА и был получен выход
термоядерных нейтронов 2*1012 [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~102°-И021 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 лыних 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 первоначальнОхМ месте, генерируя плазму, которая частично сносится на ось
10
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 Ъ-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 2-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 2-пинча. Изучалось пространственное распределение интеграла по времени энергетической яркости г-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 2-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 г-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;
I
• 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
- Київ+380960830922