ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 6, с. 843-849
УДК 533.922
ФОРМИРОВАНИЕ КОМПАКТНОГО ДОЛГОЖИВУЩЕГО ПЛАЗМЕННОГО ОБРАЗОВАНИЯ
© 2004 г. Б. В. Алехин, А. Е. Дубинов, В. С. Жданов, В. Г. Корнилов, К. Е. Михеев, В. Д. Селемир, Н. В. Степанов, В. И. Челпанов, О. А. Шамро
Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт
экспериментальной физики, г. Саров Поступила в редакцию 16.10.2003 г.
Описан способ формирования компактных долгоживущих пламенных образований (плазмоидов). Способ основан на явлении захвата сильноточного релятивистского электронного пучка в условиях существенной перекомпенсации пространственного заряда пучка положительными ионами фона. В работе сформулированы требования к параметрам плазменно-пучковой системы для реализации данного способа, а также приведены численные оценки суммарного электрического заряда и энергосодержания электронной компоненты плазмоида. Проведены экспериментальные исследования динамики образования плазмоида.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время проявляется значительный интерес к проблеме формирования компактных долгоживущих энергоемких плазменных образований (плазмоидов) с существенно неравновесными компонентами [1-3]. Этот интерес обусловлен целым рядом возможных приложений плазмоидов, связанных, например, с проблемой шаровой молнии, а также с исследованиями по программе управляемого термоядерного синтеза.
Очевидно, что степень неравновесности электронной компоненты является важным параметром, определяющим время жизни гж плазмоида (гж ~ гТ, где 1Х - время релаксации электронной неравновесности). Естественно предположить, что наибольшим временем жизни будет обладать плазмоид с релятивистскими электронами, когда плазму можно считать практически бесстолкновительной.
В данном сообщении описан новый способ формирования плазмоида. Определены условия его формирования, описаны первые эксперименты, в которых удалось сформировать и исследовать плазмоид.
Хронологически эта работа подразделяется на три этапа.
Экспериментально обнаружено аномально длительное свечение в оптическом и рентгеновском диапазонах плазмы, полученной в результате ин-жекции релятивистского сильноточного электронного пучка в газ определенного давления.
Построена теория захвата электронного пучка плазмой и формирования при этом плазмоида, объясняющая обнаруженные явления.
Систематически экспериментально исследованы макроскопические характеристики плазмоида.
Ниже излагаются результаты данной работы в последовательности, соответствующей указанным этапам.
Схема эксперимента и первые результаты.
Эксперименты проводились на линейном индукционном ускорителе электронов И-3000 [4]. Схема эксперимента приведена на рис. 1. Электронный пучок ускорителя И-3000 инжектировался в камеру 3, представляющую собой трубу из нержавеющей стали (длина - 300 мм, диаметр - 160 мм), которая с торцов ограничена входным 2 и выходным 9 фланцами. На входном фланце расположена диафрагма толщиной А = 0.10 мм, являющаяся анодом ускорителя. Катод 1, концевая часть которого представляет трубу из нержавеющей стали диаметром 30 мм и толщиной стенки 0.01 мм, создавал трубчатый электронный пучок. Энергия пучка составляет 3 МэВ, ток - 20 кА, длительность импульса - 10 нс на полувысоте.
1 2 3 4 5 6 7 8
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. Описание позиций 1-19 в тексте.
(а)
(в)
(г)
Рис. 2. Осциллограммы сигналов с фотодиодов: (а) - р = 0.05 Тор, (б) - р = 0.2 Тор, (в) - р = 5 Тор, (г) - р = 0.2 Тор, верхний луч - патрубок 6 на рис. 1, нижний - патрубок 4, (а), (б), (в) - 100 МГц, (г) - 2 МГц.
Через боковой патрубок газовой системы камера 3 откачивалась вакуумным насосом НВР-5Д в течение 20 минут до давления 0.01 Тор, а затем дискретно заполнялась воздухом. Давление газа в камере контролировалось с помощью оптического манометра ОМ-6 с точностью до 10% и изменялось в пределах 0.01-10 Тор.
Для изучения временных зависимостей макроскопических характеристик процессов в камере предусмотрены шесть диагностических патрубков 4, 5, 6,13,15,18 диаметром с1 = 45 мм, расположенных симметрично по обе стороны камеры. Временные токовые характеристики процессов можно регистрировать с помощью двух поясов Роговского 19,14, расположенных соответственно в начале и середине камеры. Световое излучение через кварцевое окно 8 регистрируется фотодиодом 7 типа Ф22. Емкостной зонд 17, представляющий собой отрезок изолированного провода и расположенный по диаметру камеры, может регистрировать временное изменение пространственного заряда, существующего в камере. Рентгеновское излучение через лавсановую пленку 11 толщиной 1 мкм измеряется датчиком 12 типа СППД. На выходном фланце симметрично относительно его центра на диаметре 120 мм расположены два цилиндра Фарадея 10. Цилиндр Фарадея 16 находится и в одном из диагностических патрубков. На выходном фланце во время опыта можно также установить симметрично относительно его центра на диаметре 100 мм две магнитные петли и ориентировать их перпендикулярно друг другу для измерений токов различных направлений.
Конструкция всех диагностических средств позволяет размещать их в разных диагностических патрубках. Регистрируемые сигналы подаются на осциллографы СРГ-5 (наносекундные времена) или СУР-1 (микросекундные времена).
В первых же экспериментах обнаружено аномально долгое свечение образующейся плазмы в оптическом и рентгеновском диапазоне при давлениях газа в камере 0.1-1 Тор.
Для иллюстрации этого на рис. 2 приведены осциллограммы с фотодиода Ф22, находящегося в диагностическом патрубке 6, при различных давлениях газа в камере. При давлении газа в камере 0.05 Тор пучок, пройдя через диафрагму, сразу же садится на ее стенки, поэтому время свечения газа в этом случае соответствует времени существования тока пучка 20 нс (рис. 2а). При давлении газа в камере 5 Тор (рис. 2в) пучок электронов создает объемный разряд, свечение которого плавно падает и спустя 100 нс прекращается. При давлении 0.2 Тор (рис. 26) в первоначальный момент времени происходит ионизация газа в камере, он зажигается, впоследствии его свечение ослабевает, а в момент времени 20 нс свечение нарастает и длится, как видно из рис. 2г, примерно 6 мкс. На этом рисунке представлены осциллограммы с фотодиодов, находящихся в диагностических патрубках 4 и 6. В отдельных экспериментах свечение газа продолжалось т 10 мкс.
На рис. 3 показана осциллограмма рентгеновского излучения с датчика СППД, находящегося в диагностическом патрубке 13 на расстоянии 400 мм от лавсана. Как видно из осциллограммы, свечение плазмы в рентгеновском диапазоне (от 5 до 100 кэВ) при давлении 0.2 Тор по длительности составляет 120 нс, что в 6 раз превышает длительность тока пучка.
Механизм и теория процесса формирования плазмоида. Итак, первые эксперименты показали, что при инжекции релятивистского сильноточного электронного пучка в камеру с газом в определенном интервале давлений свечение плазмы из камеры продолжается аномально долго.
Рис. 3. Осциллограмма сигнала с датчика рентгеновского излучения СППД (р = 0.2 Тор, метки - 25 МГц).
Были сформулированы рабочие гипотезы для объяснения обнаруженного явления: длительное высвечивание возможно при возбуждении мета-стабильных атомов и ионов или в результате эволюции ленгмюровского коллапса. Однако эти гипотезы были отвергнуты по причине наличия мощного высокоэнергетичного рентгеновского излучения, вызвать которое могут лишь релятивистские электроны.
В результате дальнейшего анализа предложен механизм захвата релятивистских электронов пучка в долгоживущий компактный плазмоид. Этот механизм образования плазмоида может быть основан на инжекции сильноточного релятивистского электронного пучка в газ, на ионизации газа пучком и на последующем захвате заднего фронта пучка плазмой. Как будет ясно из дальнейшего, необходима максимальная скорость нарастания степени компенсации пространственного заряда пучка, которая, как известно, соответствует давлению газа р = 0.1-1 Тор [5]. Рассмотрим поэтапно захват электронов пучковой плазмой.
При инжекции электронов в газ на переднем фронте импульса тока быстрые электроны пучка ионизуют нейтральный газ и своим пространственным зарядом выталкивают вторичные электроны на стенки газовой камеры. Вторичные электроны также участвуют в дальнейшей ионизации газа и способствуют развитию пробоя и возникновению плазменного тока, обратного току пучка. Обратный ток индуцируется на переднем фронте пучка и связан с явлением электромагнитной индукции. Время образования обратного тока гж обычно больше времени достижения полной зарядовой компенсации пучка гк в указанном интервале давлений и составляет примерно 5-20 нс [5]. Для достижения наилучших условий для формирования плазмоида необходимо, чтобы длительность переднего фронта удовлетворяла условию тк < < тж.
Рис. 4. Диаграмма токов при захвате электронов.
Рассмотрим, что происходит на заднем фронте импульса тока пучка. В случае достаточно малой длительности заднего фронта тг, когда тг < тк, начинает "оголяться" ионный фон, так как массивные ионы на таких временах практически неподвижны. При этом внешние электроны плазмы вследствие слабой радиальной электронной проводимости в область взаимодействия проникать не успевают (время нейтрализации положительного пространственного заряда за счет ухода ионов и прихода тепловых электронов, по крайней мере, больше тк), и поэтому происходит перекомпенсация пространственного заряда пучка. При росте суммарного положительного пространственного заряда понижается предельное значение тока, связанное со сжатием пучка собственным магнитным полем, причем указанное уменьшение опережает спад тока пучка на заднем его фронте. Когда предельное значение тока станет меньше мгновенного тока пучка, начинается захват электронов в образовавшуюся таким образом потенциальную яму, а величина захватываемого тока будет равна разности /з = ¡(г) - /^(0, где ¡(г) - мгновенное значение тока пучка в момент захвата, ¡^(г) - мгновенное значение предельного тока. Это соотношение схематически поясняет диаграмма на
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.