ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 74-81
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 533.952
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ НА УСТАНОВКЕ "АНГАРА-5-1"
© 2004 г. Г. С. Волков, Е. В. Грабовский, В. И. Зайцев, Г. Г. Зукакишвили, М. В. Зурин, К. Н. Митрофанов, С. Л. Недосеев, Г. М. Олейник, И. Ю. Порофеев, В. П. Смирнов, И. Н. Фролов
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" Россия, 142190, Троицк Московской области Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
Представлен используемый на установке "Ангара-5-1" комплекс диагностических методик, позволяющих исследовать процессы при сверхбыстром токовом сжатии лайнеров. Комплекс включает электротехнические методы, методы регистрации различных излучений. Визуализация формы плазмы лайнеров осуществляется регистрацией собственного излучения лайнеров в различных диапазонах и активным зондированием в видимом и рентгеновском диапазонах. Приведены примеры результатов исследования токового сжатия цилиндрических сборок из вольфрамовых проволок на установке "Ангара-5-1".
ВВЕДЕНИЕ
Установка "Ангара-5-1", предназначенная для проведения исследований в области инерциального термоядерного синтеза, была запущена в 1983 г. [1]. Длительность импульса тока на установке 100 нс, амплитуда тока до 5 МА, напряжение на некоторых электродах более 1 МВ. Тогда же вошли в эксплуатацию контрольно-измерительный управляющий комплекс КИИУ-5 [2] (разработчик СНИИП, Москва) и комплекс СКПФ-202 [3] (разработчик НИИ импульсной техники, Москва). Первый из них в основном был предназначен для контроля и управления технологическими процессами на установке и для регистрации импульсных сигналов длительностью более 100 нс, второй - для диагностики различных излучений и параметров плазмы. Эти комплексы включали в себя обширный набор датчиков, детекторов излучений и регистраторов. С годами проходила модернизация этих комплексов, для новых экспериментов разрабатывались новые методики.
Весьма важной задачей является измерение электротехнических параметров на различных фазах формирования выходного импульса, от системы высоковольтной синхронизации до тока и напряжения вблизи нагрузки. Системы помехоза-щищенных [4] электрофизических датчиков, кабельных трасс и регистраторов обеспечивают решение этой задачи. В работе [5] приведен пример определения параметров нагрузки с помощью системы электротехнических датчиков и комплекса КИИУ-5.
Основное направление исследований на установке - сверхбыстрое токовое сжатие лайнеров [6], каскадных лайнеров [7] и 7-пинч [8].
В начале 1990-х годов на установке проводились исследования дейтериевого 7-пинча. Это потребовало развития нейтронной диагностики. С помощью нейтронной диагностики, представленной в [9], были измерены полный выход и спектр нейтронов. Полный выход составил 3 ■ 1012 нейтронов/импульс. Определенный по времяпролетной методике спектр нейтронов оказался анизотропным, что свидетельствовало о нетермоядерном происхождении нейтронов и о наличии в 7-пинче пучка дейтонов [8].
На установке проводятся также исследования ударных волн, возбуждаемых при воздействии мощного импульса излучения на различные среды [10].
Последние годы на установке активно исследуется сжатие током сборок (лайнеров) из вольфрамовых проволок. При сжатии излучается мягкое рентгеновское излучение (м.р.и.) в области 100 эВ-1 кэВ с энергией до 100 кДж [6], длительностью до 6 нс. Характерный размер лайнера - 1 см. Диаметр проволок до 5 мкм. Масса лайнеров 150-300 мкг. Плотность электронов составляет ~1017-1021 см-3, температура ~100 эВ. Плотность сжимаемого вещества лежит в пределах от плотности твердого тела до ~1 мкг/см3. Определенную сложность в условиях мощного облучения м.р.и. с плотностью потока мощности более 10 ТВт/см2 представляет измерение электротехнических параметров (ток, напряжение) как снаружи, так и внутри лайнера. Большой интерес для понимания физики токового сжатия проволочных сборок представляет исследование пространственных распределений массы и тока внутри лайнера.
Диагностика в этих экспериментах плазмы с перечисленными выше параметрами потребова-
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ НА УСТАНОВКЕ "АНГАРА-5-1" 75
Рис. 1. Схема лайнерного узла для экспериментов по токовому сжатию проволочных сборок, расположение диагностических средств, направления наблюдения, зондирования и регистрации излучений. Регистрация осуществляется на радиусе Я, значения которого указаны для некоторых методик. 1 - катод; 2 - направление для регистрации м.р.и. болометром и набором из рентгеновских диодов, Я = 3.5 м; 3,15,16 - магнитные зонды для измерения полного тока лайнера, Я = 55 мм; 4 - направление для регистрации спектра м.р.и. с помощью брэгговского спектрографа, Я = 2 м; 5 -Х-пинч вместо одного из обратных токопроводов, Я = 55 мм; 6 - направление лазерного зондирования; 7 - направление для регистрации временной развертки свечения лайнера с помощью камеры СФЭР-2, Я = 15 м; 8 - миниатюрный магнитный зонд вне лайнера, Я = 30 мм; 9 - миниатюрный магнитный зонд внутри лайнера, Я = 5 мм; 10 - анодный диск, диаметр 100 мм; 11 - направление для регистрации изображения лайнера с помощью интегральной по времени камеры-обскуры, Я = 100 мм; 12 - направление для регистрации излучения Х-пинча, Я = 1.5 м; 13 - один из обратных токопроводов; 14 - направление лазерного луча после прохождения через лайнер; 17 - направление для регистрации изображения лайнера с временным разрешением с помощью камеры-обскуры и 4-кадровой м.к.п.-камеры, Я = 600 мм; 18 - проволочная сборка (лайнер).
ла создания новых методик, в которых предусмотрено соответствующее высокое пространственное, временное и энергетическое разрешение. Сложность (в наносекундной области особенно) и высокая стоимость разработки таких методик, аппаратуры и метрологического обеспечения привели к тому, что в ряде случаев пришлось отказаться от требования одновременно иметь пространственное, временное и энергетическое разрешение.
В настоящее время используются следующие диагностические методики для определения параметров плазмы в сжимаемых током проволочных сборках:
• электротехнические методы для измерения тока и напряжения вблизи и внутри лайнера;
• регистрация м.р.и. с помощью болометра и набора вакуумных рентгеновских диодов (в.р.д.) и р-/-п-диодов с различными фильтрами;
• регистрация жесткого рентгеновского излучения с помощью дозиметров;
• спектральные измерения м.р.и. с помощью полихроматора на основе многослойных зеркал, кристаллического спектрографа и спектрографа на пропускающей решетке;
• измерение импульсных давлений в веществе при распространении ударных волн, возбуждаемых м.р.и.;
• визуализация формы лайнера в видимом диапазоне спектра э.о.п.-камерами в режиме щелевой развертки и в кадровом режиме;
• визуализация в собственном м.р.и. формы лайнера с помощью камер-обскур;
• активное лазерное зондирование в кадровом режиме с получением теневых, шлирен и интерференционных изображений;
• рентгеновская радиография сжимаемого током лайнера посредством импульса рентгеновского излучения от Х-пинча.
Описание параметров перечисленных методик дано в следующем разделе. Схема лайнерного узла для экспериментов по токовому сжатию проволочных сборок представлена на рис. 1, где также дано расположение большинства диагностических средств, указаны направления наблюдения, зондирования и регистрации излучений.
МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ ПРИ ТОКОВОЙ ИМПЛОЗИИ ПРОВОЛОЧНЫХ ЛАЙНЕРОВ
Информация об исследуемых процессах регистрируется с помощью фотопленки, п.з.с.-камер, цифровых осциллографов. Фотопленка сканируется. Дальнейшая обработка информации происходит в электронном виде. Используется несколько различных способов для обеспечения единой временной привязки всех измерений. Экспериментально измеренная погрешность временной привязки для разных методик лежит в пределах от 0.2 до 2 нс.
Регистрация импульсных электрических сигналов, характеризующих процессы в лайнере, осуществляется посредством осциллографов ТЬ8216, СРГ5 и СРГ7 с верхними граничными частотами 500 МГц, 1500 МГц и 7 ГГц соответственно. Длина кабеля от детектора до регистратора 10-15 м. Используются кабели РК-75-9-35, РК-75-9-12, РК-75-17-31 и РК-50-17-51. При экспериментальной проверке кабельных трасс установлено, что коэффициент передачи для кабеля РК-75-9-35 длиной 15 м на частоте 1400 МГц не хуже 0.9. Для трасс длиной 10 м на основе кабеля РК-50-17-51 коэффициент затухания на частоте 3 ГГц составляет 1.8 дБ. Разработан комплекс программ по восстановлению сигналов, прошедших по длинному кабелю [11].
Полный ток, протекающий через лайнерную нагрузку, регистрируется с помощью 8-ми магнитных зондов, расположенных на радиусе 55 мм от оси лайнера (3,15,16, рис. 1). Полный ток через нагрузку вычисляется как среднее по этим 8-ми зондам.
Для измерения пространственного распределения плотности тока внутри и вне сжимающегося лайнера используются миниатюрные магнитные зонды 8, 9 [12]. Особенность работы таких зондов в том, что они в процессе измерения находятся в плазме с экстремальными параметрами и подвергаются облучению м.р.и. с плотностью потока мощности ~10 ТВт/см2. Поэтому магнитные зонды состоят из двух петель, намотанных в разные стороны. Это обеспечивает получение сигналов разной полярности, что позволяет судить об их магнитном происхождении. Диаметры зондов для измерения аксиальной составляющей магнитного поля составляют 880 мкм (4-10 витков) и 300 мкм (4 витка). Для измерения азимутальной составляющей магнитного поля диаметры зондовых катушек равны 260 мкм (1 виток). Снаружи зонды закрыты электростатическим экраном из №Т1 толщиной 10-15 мкм. Время диффузии электромагнитного поля через такой экран составляет ~1.5 нс.
Напряжение между анодом и катодом вблизи проволочной сборки измеряется на радиусе 6 см с помощью индуктивного делителя [13]. Место измерения напряжения и тока приблизительно со-
ответствует месту объединения токов отдельных модулей. Данные одновременного мониторинга профилей полного тока и напряжения вблизи нагрузки приблизительно в одной точке по радиусу позволили вычислять и исследо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.