ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2007, том 33, № 5, с. 424-434
ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.952.082.74
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В Z-ПИНЧАX С ЗАПИТКОЙ ОТ СПИРАЛЬНЫХ ВЗРЫВОМАГНИТНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
© 2007 г. В. Д. Селемир, В. А. Демидов, В. Ф. Ермолович, Г. М. Спиров, П. Б. Репин,
И. В. Пикулин, А. А. Волков, А. П. Орлов, А. С. Борискин, О. М. Таценко, А. Н. Моисеенко, М. А. Баринов, И. М. Маркевцев, С. А. Казаков, В. Т. Селявский, Е. В. Шаповалов, Б. П. Гитерман, Ю. В. Власов, П. С. Дыдыкин, Е. А. Ряслов,
Д. В. Котельников, С. В. Гайдаш Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Саров, Нижегородская обл., Россия Поступила в редакцию 17.05.2006 г. Окончательный вариант получен 10.07.2006 г.
Представлены результаты экспериментов по запитке многопроволочных лайнеров от спиральных взрывомагнитных генераторов диаметром 100 мм и 200 мм с взрывными обострителями тока. Ток через лайнер достигал 4 МА при времени нарастания 0.3-0.4 мкс. Максимальный выход мягкого рентгеновского излучения составил ~100 кДж, при температуре плазмы пинча 55 эВ. Для численного моделирования процессов имплозии лайнеров и генерации рентгеновского излучения разработан 2^ МГД-код, обеспечивающий удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных результатов.
PACS: 52.59.Qy
ВВЕДЕНИЕ
Создание мощных источников рентгеновского излучения (РИ) актуально для ряда приложений. Достигнутый уровень энергии РИ составляет ~1.9 МДж, и мощности ~230 ТВт. Такой источник реализован на установке PBFA-Z [1, 2] при имплозии лайнера, формируемого из многопроволочной сборки, током с амплитудой ~19 МА и фронтом т ~ 100 нс. Вместе с тем, имеется заметный интерес и к источникам РИ с временами имплозии лайнеров в несколько сот наносекунд и вплоть до ~1 мкс [3, 4]. Одной из причин такого интереса является относительная простота получения многомегаамперных импульсов тока с микросекундным временем нарастания и сохранение в указанном диапазоне времен имплозии пропорциональности энергии генерируемого РИ квадрату тока [4-6].
В РФЯЦ-ВНИИЭФ реализуется программа создания источника мягкого рентгеновского излучения с энергией >10 МДж и мощностью в несколько сотен тераватт на основе схлопываю-щихся 2-пинчей [7, 8], запитываемых от взрывомагнитных генераторов (ВМГ). Основанием для проведения таких работ послужили успехи в разработке на основе ВМГ с размыкателями тока устройств, обеспечивающих ток в нагрузке до 35 МА при времени нарастания ~1 мкс [9, 10]. Весьма обнадеживающе выглядят также резуль-
таты экспериментов с взрывным источником Процион, проведенные в Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) [11]. В рамках программы предусматривается проведение нескольких серий взрывных экспериментов с постепенным наращиванием амплитуды тока источника. В данной работе представлены результаты первых экспериментов по генерации РИ при имплозии цилиндрических многопроволочных сборок, запитываемых от формирователей тока на основе спиральных ВМГ с взрывными обострителями импульса.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Упрощенная эквивалентная электрическая схема взрываемой установки представлена на рис. 1. Основными ее элементами являются формирователь тока, включающий в себя спиральный взрывомагнитный генератор 1 и взрывные размыкатель тока 2 и замыкающий ключ 3, индуктивность передающей линии 4 и многопроволочный цилиндрический лайнер с переменными индуктивностью 5 и сопротивлением 6. Формирование импульса тока в нагрузке осуществляется следующим образом. На ранних стадиях работы ВМГ генерируемый им ток протекает через малое сопротивление размыкателя 2. После достижения значений тока генератора, близких к максимальным, срабатывают размыкатель 2 и
Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема устройства.
1 - индуктивность контура ВМГ, 2 - сопротивление размыкателя, 3 - взрывной замыкающий ключ, 4 -индуктивность передающей линии, 5 и 6 - индуктивность и сопротивление лайнерной нагрузки.
ключ 3 и за время, определяемое временем роста сопротивления размыкателя, ток перебрасывается в лайнерную нагрузку.
В экспериментах использовались формирователи тока (рис. 2) на основе генераторов с внутренним диаметром спирали 100 мм (ВМГ-100) и 200 мм (ВМГ-200) [12, 13].
Конструкции генераторов подобны друг другу и отличаются, в основном, масштабом. Индуктивность генератора (поз. 1 на рис. 1) образована центральной трубой (поз. 1 на рис. 2) специальной конструкции, включающей в себя цилиндрический и конический участки с переменной толщи-
ной стенки, спиралью 2 и замыкающим трубу и спираль нагрузочным элементом, в данном случае - фольгой размыкателя 3. Начальный магнитный поток в контуре генераторов создается путем разряда конденсаторной батареи на индуктивность генератора. После подрыва заряда взрывчатого вещества (ВВ), содержащегося внутри центральной трубы, начинается деформация контура генератора, сопровождающаяся уменьшением индуктивности, и увеличение запасенной в нем энергии (до ~100 раз). В типичном режиме работы генераторов запасаемая в их конечной индуктивности энергия составляет ~0.5 МДж и ~2 МДж для ВМГ-100 и ВМГ-200, соответственно. Время нарастания токового импульса в контуре генератора составляет ~20 мкс по уровню 0.1-0.9. Укорочение фронта тока на выходе формирователя обеспечивается размыкателем цилиндрического типа с разрушением фольгового проводника 3 на ребристой преграде 4 продуктами взрыва ВВ 5 [14]. Конструкция размыкателей с осевым инициированием цилиндрического заряда ВВ обеспечивает рост сопротивления разрушаемой фольги до ~0.2 Ом за ~0.5 мкс. Размыкатель скомпонован с ключом 6 (см. рис. 2) таким образом, что замыкание ключа осуществляется за счет разрушения его изолятора под действием того же заряда ВВ в момент выхода ударной волны на поверхность разрываемой фольги размыкателя. Подключение нагрузки к формирователю тока осуществляется с помощью передающей линии, представляющей собой комбинацию коаксиальных (с изолятором из лавса-
Рис. 2. Конструкция формирователя тока на основе генератора ВМГ-100.
1 - центральная труба генератора, 2 - спираль, 3 - фольга размыкателя, 4 - ребристая преграда, 5 - заряды ВВ, 6 -взрывной ключ, 7 - изолятор передающей линии, 8 - лайнерная камера, 1-1У - места размещения индуктивных датчиков тока.
Рис. 3. Фотография лайнера для ВМГ-200 на технологической оснастке.
новой пленки 7) и конических или радиальных участков (с вакуумной изоляцией), разделенных изолятором из капролона. В вакуумной части линии ее электроды представляют собой сложно-профильные конструкции, образующие лабиринт для защиты капролонового изолятора от излучения лайнера.
Специфика взрывных экспериментов вынудила отказаться от обычно используемой на стационарных установках [1, 2] конструктивной схемы многопроволочных лайнеров, в которой для обеспечения прямолинейности проволочек и их надежного контакта с токоподводами используются грузики, закрепленные на нижнем свободно висящем конце проволочек. Причин этому несколько. Во-первых, конструкция с грузиками не дает гарантии постоянства геометрии лайнера при его транспортировке на значительные расстояния, а организовать сборку таких точных узлов, как многопроволочные лайнеры, в условиях взрывного полигона не представляется возможным. Во-вторых, использование силы тяжести в конструктивной схеме предполагает однозначную ориентацию оси лайнера по вертикали. На данном этапе исследований оказалось выгоднее располагать взрываемую сборку вдоль горизонтальной оси. В связи с этим была разработана оригинальная технология изготовления лайнеров с применением независимого пружинного подвеса каждой проволочки, поддерживающего проволочки в прямолинейном состоянии независимо от ориентации лайнера, перепадов температуры и механических деформаций при монтаже и перевозке [15].
В экспериментах использовались лайнеры диаметром 60 мм, состоящие из 50 (ВМГ-100) или 200 (ВМГ-200) вольфрамовых проволочек диаметром 8 мкм или 11 мкм. Высота лайнеров 30 мм
Рис. 4. Лайнерная камера для опыта с ВМГ-200 в сборе с размыкателем тока на взрывной позиции.
и 15 мм. Фотография лайнера на технологической оснастке, изготовленного для опыта с ВМГ-200, представлена на рис. 3.
Цилиндрический многопроволочный лайнер размещался внутри вакуумируемой до ~10-4 Тор лайнерной камеры (поз. 8 на рис. 2), выполненной единой сборкой с ВМГ и взрывным обострителем тока. Взрываемая сборка устанавливалась внутри толстостенной металлической трубы (рис. 4), играющей роль одного из элементов защиты технологического и диагностического оборудования, размещенного на рабочем поле, от продуктов взрыва [16].
Вакуумирование лайнерной камеры обеспечивалось стационарным вакуумным постом, размещенным внутри защитного сооружения. Использовалась также подкачка адсорбционным насосом, расположенным в непосредственной близости (~2 м) от взрываемой сборки. Откачка производилась в непрерывном режиме вплоть до подрыва ВВ. Защита откачного оборудования от неизбежной разгерметизации вакуумного тракта после срабатывания установки обеспечивалась с помощью быстродействующих затворов, закрываемых за ~1 с до подрыва ВВ.
В экспериментах регистрировались амплитудно-временные параметры импульса тока на различных стадиях формирования от ВМГ до ввода в лайнерную камеру. Для этой цели использовались индукционные датчики тока, размещенные в
нескольких сечениях сборки (см. рис. 2). В каждом из сечений устанавливалось несколько (до 12) датчиков, разнесенных по азимуту. Ток, пропускаемый через лайнер, регистрировался магнитооптическими датчиками на основе эффекта Фа-радея, размещенными внутри обратного токо-провода лайнера [6].
Параметры мягкого РИ измерялись по методу поглощающих фильтров кремниевыми полупроводниковыми детекторами и детекторами на основе сильноточных фотоэлектронных умножителей и тонких (~120 мкм) пластмассовых сцинтилляторов (ПС) стандартного состава (3% и-терфенила + 0.06% РОРОР в полистироле) [6]. Использование детекторов, основанных на разных физических принципах регистрации, позволяет повысить надежность и достоверность экс
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.