ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ ТОКОВОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ОБОЛОЧКИ И МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ПРИОСЕВОЙ ОБЛАСТИ УСТАНОВКИ PF-1000
© 2014 г. К. Н. Митрофанов, В. И. Крауз*, П. Кубеш**, М. Шольц***, М. Падух***, Е. Зелинска***
ГНЦ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований"Москва, Россия * НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия ** Czech Technical University, Prague, Czech Republic *** Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion, Warsaw, Poland e-mail: mitrofan@triniti.ru, mitrkn@inbox.ru, krauz@nfi.kiae.ru,vkrauz@yandex.ru Поступила в редакцию 16.12.2014 г.
Представлены результаты измерений магнитных полей в области пинчевания плазмы при сжатии токово-плазменной оболочки из дейтерия на установке плазменный фокус РБ-1000. Исследована "тонкая" структура токово-плазменной оболочки (ударная волна—магнитный поршень) и ее изменение по мере сжатия плазмы к оси установки при помощи магнитозондовой методики и лазерной интерферометрии. Проведено сравнение радиальных распределений плотности плазмы и тока внутри токово-плазменной оболочки. Показано, что в области ударной волны электронная концентрация сжатого вещества порядка ~1018 см-3, в то время как почти весь ток в токово-плазменной оболочке скинирован в области магнитного поршня — плазменного слоя с электронной концентрацией не более 1015 см-3. Зарегистрирована эффективная транспортировка тока плазменной оболочкой в приосевую область установки в разрядах с высоким нейтронным выходом (У„ > 1011 нейтрон/имп.). Показано, что полный выход нейтронов хорошо описывается
зависимостью У„ « (1.5—3) х 1010/^, где 1р — ток пинча внутри области г < 13 мм.
БО1: 10.7868/80367292114070075
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время произошли заметные успехи по созданию мощных нейтронных источников (1011—1016 нейтрон/имп.) на основе сильноточных генераторов (ZR) и лазерной установке NIF в США [1—4]. Несмотря на это плазмофокусные установки различных типов [5, 6] до сих пор являются простыми и привлекательными системами для генерации нейтронов. Сильная зависимость нейтронного выхода от тока в виде Yn ~ In, n е е (3.3—5.0) [7, 8], как и другая широко известная зависимость Yn ~ W2 от энергии, запасаемой в источнике питания [9], хорошо соблюдаются для такого типа установок с энергозапасом батареи до сотен килоджоулей. При этом указанные зависимости нарушаются для крупных установок мега-джоульного уровня энергии [10, 11]. Вместо прогнозируемого выхода ~1013 нейтронов/имп. наблюдается только ~1011—1012 нейтронов/имп. Следует также понимать, что экстраполяция эмпирического скейлинга Yn ~ W2 в область высоких выходов нейтронов при увеличении энергозапаса батареи нужно делать с осторожностью. При этом простое увеличение энергозапаса батареи без оп-
тимизации геометрии электродной системы установки не ведет к увеличению нейтронного выхода. Обычно строится нейтронный скейлинг от полного тока, протекающего в разрядной цепи установки. Возможным объяснением насыщения нейтронного скейлинга является шунтирование тока пинча остаточной плазмой на периферии разряда. Существование таких утечек показано в работах [12—17]. Такое шунтирование разрядного тока напрямую должно быть связано с эффективностью сгребания рабочего газа токовой плазменной оболочкой (ТПО) при ее движении от изолятора к оси установки. При этом пространственное распределение плотности плазмы и тока внутри ТПО на финальной стадии сжатия существенным образом должны влиять на устойчивость плазмы и процессы, ответственные за диссипацию электромагнитной энергии и генерацию излучений. Поэтому актуальным является исследование зависимости У„(Г) от тока, протекающего в приосе-вой области установки, которые проводятся в последнее время [16—18]. Только экспериментальные исследования зависимости У„(1) в условиях более напряженных режимов разряда (Ж > 1 МДж) позволят прогнозировать перспективы развития
ПФ-систем как одного из типов мощных источников нейтронов.
Целями данной работы были исследование изменения "тонкой" структуры ТПО во время стадии ее радиального движения: определение радиальных размеров областей ударной волны (УВ) из интерферограмм и магнитного поршня (МП) — из магнитозондовых измерений;
исследование нейтронного скейлинга от тока, протекающего непосредственно через пинч.
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты выполнены на установке РБ-1000 (Варшава, Польша) представляющей собой плазменный фокус с электродной системой мейзеров-ского типа [19]. На рис. 1 представлен общий вид установки — вакуумной камеры и кабелей, подво-
Рис. 2. Расположение магнитных зондов в электродной системе установки РР-1000. На радиусе 40 мм показан магнитооптический зонд, на радиусе 13 мм — магнитный зонд с плоской формой оболочки из №>Р! фольги.
дящих энергию от конденсаторной батареи к коллекторному электроду (аноду). Разрядная система представляет собой коаксиальные электроды длиной 480 мм, разделенные алундовым изолятором. Диаметр полого медного анода составляет 230 мм. Торец анода закрыт фланцем с отверстиями для вывода магнитных зондов. Катод сконструирован в виде штыревого электрода типа "беличье колесо", состоящего из 12 штырей из нержавеющей стали диаметром 80 мм каждый, расположенных на диаметре 390 мм (см. рис. 2). Источник питания — конденсаторная батарея, собранная на конденсаторах марки ИК-40-5. Максимально возможное зарядное напряжение 40 кВ соответствует максимальному энергозапасу батареи в 1 МДж.
Для исследования динамики структуры ТПО на стадии радиального сжатия использовались магнитные зонды и лазерная интерферометрия. Впервые такой подход был применен в работе [20], в которой было показано, что значительная часть тока может протекать в ударной волне; при этом доля тока, протекающего в ударной волне, сильно зависит от степени "тренированности" камеры.
Для исследования эффективности транспортировки тока плазменной оболочкой в приосевую область установки разработаны магнитные зонды следующих конструкций [13, 15, 16, 21, 22]:
магнитооптический зонд (см. рис. 3а), позволяющий одновременно измерять магнитное поле и оптическое свечение плазменной оболочки. При помощи данного типа зонда изучалось изменение "тонкой" структуры ТПО ("ударная волна—магнитный поршень") во время ее сжатия к оси. Оптический сигнал ассоциировался с прохождением ударной волной положения зонда, а электрический сигнал с магнитного канала — с прохождением магнитного поршня. Сигнал с магнитного канала зонда регистрировался на ос-
Рис. 3. Конструкции магнитных зондов и схемы регистрации их сигналов:
а) — для магнитооптического зонда; б) — для магнитного зонда с плоской формой оболочки.
циллографе, оптический сигнал регистрировался ФЭУ и дальше тем же осциллографом;
миниатюрный магнитный зонд (см. рис. 3б) — зонд с плоской формой оболочки из №11 фольги. Толщина фольги была ~10—15 мкм, что обеспечивало малое время диффузии магнитного поля сквозь эту фольгу ~1.5 нс. Размер оболочки зонда
поперек потока плазмы--0.5 мм, вдоль потока —
~1.5—2 мм. Применение такой формы оболочки позволило улучшить обтекание зонда плазмой и минимизировать вносимое возмущение в плазменный поток.
Магнитные зонды были абсолютно калиброваны по методике, подробно описанной в работе [23]. Абсолютная чувствительность зондов составляла ~(0.7—1.2) х 10-10 В/(Гс/с). Погрешность измерения магнитного поля в плазме с учетом погрешности калибровки (<5%) была не хуже 15—20%.
Зонды обеих конструкций располагались на радиусах 40 мм и 13 мм со стороны анодного электрода. Чувствительные элементы зондов размещались на расстоянии 5—10 мм от плоскости анода, как показано на рис. 2. Зонды вводились со
стороны высоковольтного коллектора установки через вакуумный шлюз вдоль оси полого анода. Таким образом, шлюзование позволяло заменять разрушенные зонды без нарушения вакуумных условий камеры установки.
Помимо магнитозондовой методики применялся ряд штатных диагностических методик установки РБ-1000 для исследования электротехнических и эмиссионных характеристик разряда. Основными диагностиками были следующие:
нейтронное излучение регистрировалось с помощью четырех серебряных активационных интегральных детекторов. Интегральный нейтронный выход являлся основным параметром, характеризующим качество разряда, который в сочетании с магнитозондовыми измерениями, позволял проанализировать скейлинговые зависимости от тока разряда. Использовались детекторы на основе счетчиков СТС-5 и СТС-6 в серебряной фольге и помещенных в замедлитель нейтронов;
напряжение между электродами измерялось емкостным делителем. Чувствительность делителя была 4 кВ/В;
Параметры эксперимента
Выстрел Начальные условия (сорт газа, начальное давление, напряжение зарядки и энергозапас батареи) Расположение и тип магнитных зондов Примечание
9362 газ D2, Р0 = 1.8 Торр, и0 = 24 кВ, на г = 40 мм и г = 13 мм — на интерферограммах зареги-
9363 Ж0 = 384 кДж зонды с плоской формой стрирован моментпрохождения
9364 оболочки ТПО r = 13 мм
9365 газ D2, Р0 = 1.8 Торр, и0 = 24 кВ, на г = 40 мм и г = 13 мм — эксперименты с магнитоопти-
Ж0 = 384 кДж магнитооптические зонды ческими зондами на радиусах
9367 газ D2, Р0 = 1.2 Торр, и0 = 24 кВ, 13 мм и 40 мм
9373 Ж0 = 384 кДж
9340 газ D2, Р0 = 1.8 Торр, и0 = 24 кВ, на г = 40 мм — магнитооп- на интерферограммах зареги-
Ж0 = 384 кДж тический зонд стрирован момент прохождения
ТПО r = 40 мм и пинчевание
плазмы на оси
9354 газ D2, Р0 = 1.8 Торр, и0 = 24 кВ, — радиальное распределение
Ж0 = 384 кДж электронной плотности из ин-
терферограмм в момент ради-
ального сжатия ТПО и пинча
полный ток разряда регистрировался калиброванным поясом Роговского. Чувствительность пояса была 470 кА/В;
производная полного разрядного тока измерялась при помощи трех петель, расположенных в узле коллектора установки. Петлевые датчики производной тока располагались с шагом 120° по периметру коллектора, что, помимо временного хода нарастания полного тока установки, позволяло также оценить неоднородность растекания тока по коллектору;
рентгеновское излучени
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.