научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОНИКНОВЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ВНУТРЬ СЖИМАЕМОГО ТОКОМ ЛАЙНЕРА НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1 Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОНИКНОВЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ВНУТРЬ СЖИМАЕМОГО ТОКОМ ЛАЙНЕРА НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2009, том 35, № 3, с. 229-250

^ ДИНАМИКА

ПЛАЗМЫ

УДК 533.9

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОНИКНОВЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ВНУТРЬ СЖИМАЕМОГО ТОКОМ ЛАЙНЕРА

НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1

© 2009 г. В. В. Александров, В. А. Барсук, Е. В. Грабовский, А. Н. Грицук, Г. Г. Зукакишвили, С. Ф. Медовщиков, К. Н. Митрофанов, Г. М. Олейник, П. В. Сасоров*

ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследовпний", Троицк, Московская обл., Россия * ГНЦ РФ "Институт экспериментальной и теоретической физики",

Москва, Россия Поступила в редакцию 28.02.2008 г. Окончательный вариант получен 02.07.2008 г.

Обсуждаются результаты измерений распределений азимутальных магнитных полей при сжатии многопроволочных сборок на установке Ангара-5-1, состоящих из тонких проволочек из различных веществ (алюминий, медь, молибден, вольфрам и др.) при токе до 3 МА. Показано, что проникновение магнитного поля на ось сборки происходит с небольшой задержкой относительно момента начала прохождения тока через сборку. Эта задержка зависит от вещества проволок или их покрытия. Измерен ток предвестника, образующегося на оси проволочной сборки до сжатия основной массы. Показано, что существует принципиальное отличие проникновения вещества с магнитным полем внутрь объема пенного лайнера (из полимерной пены агар-агар) по сравнению со случаем проволочной сборки. Показано, что скорость переноса тока на ось сборки максимальна для проволочных сборок из вольфрама. Было проведено сравнение относительных скоростей производства плазмы при имплозии лайнеров из разных веществ.

РАСЯ: 52.59.Qy

1. ВВЕДЕНИЕ

В недавнем прошлом были достигнуты заметные успехи по использованию сильноточных установок с нагрузкой из многопроволочных сборок для генерации мощных импульсов рентгена [1, 2]. Эти результаты возобновили и стимулировали интерес к исследованиям ^-пинчевого разряда в качестве энергетического драйвера для имплозии мишеней непрямого облучения в различных схемах инерциального термоядерного синтеза [3].

Применение цилиндрических сборок, состоящих из большого количества проволок из материалов с высоким атомным номером, позволило значительно увеличить эффективность конверсии энергии электрического импульса в рентгеновское излучение [2, 4, 5]. После запуска в середине 90-х годов прошлого столетия в США установки "Я" было экспериментально показано, что на проволочных сборках, состоящих из большого числа проволочек (>100) при токах ~20 МА могут быть получены импульсы рентгеновского излучения (>200 эВ) длительностью несколько наносекунд (~6—8 нс), мощностью ~280 ТВт и энергией ~1.8 МДж.

Несмотря на богатый экспериментальный материал, полного понимания процесса имплозии цилиндрических сборок пока не достигнуто, а адекватная модель для описания параметров выходного импульса рентгеновской эмиссии не создана.

Токовое сжатие проволочных сборок [6, 7] существенным образом отличается от классической модели сжатия Леонтовича—Осовца [8]. Причина этого заключается в том, что практически все эксперименты по токовому сжатию проволочных сборок проводятся при "холодном старте" [9, 10], когда фазовые превращения в плазмообразую-щем веществе нагрузки (плавление, испарение, сублимация, ионизация и т.п.) происходят в результате действия импульса разрядного тока на вещество в твердом состоянии, создавая гетерогенную структуру, состоящую из плотных остовов проволок и окружающей их плазмы. Главное следствие "холодного старта" — образование гетерогенной системы остов—корона (размер остова меньше скин-слоя) и как следствие этого — плазмообразование, затянутое почти на весь период нарастания разрядного тока. При этом проводимость плазмы остовов проволок такова, что ток разряда в основном протекает по плазменной

короне. Остовы проволок сборки остаются на месте, так как их диаметр много меньше скин-слоя (диаметр остовов ~20 мкм, а толщина скин-слоя для плазмы с Te ~ 10—20 эВ и характерных времен процесса ~100 нс составляет ~2 мм).

На установках Ангара-5-1 (Россия) [6], MAGPIE (Великобритания) [7] и, в дальнейшем, на установке Z (США) экспериментально показано, что затянутое плазмообразование является неотъемлемой частью процесса имплозии проволочной сборки [4, 10, 11]. Под затянутым плазмообразо-ванием понимается не просто процесс ионизации, а процесс формирования плазмы с достаточно высокой проводимостью, такой, что эта плазма принимает на себя большую долю тока генератора. Магнитное поле вмораживается во вновь создаваемую плазму короны [12] и эта плазма с вмороженным полем сносится к оси сборки. Из-за непрерывного сноса токонесущей плазмы к оси сборки возникает радиальное распределение плазмы с толщиной, заметно большей толщины скин-слоя. Оно может быть и не сплошным в азимутальном направлении. При имплозии плазма цилиндрической проволочной сборки имеет азимутальную структуру в форме струй, вытянутых вдоль проволоки и распространяющихся к оси сборки. Ускорение такой плазмы к оси системы обеспечивается не действием магнитного поршня на внешнюю границу плазмы проволочной сборки, что приводило бы к сильным неустойчиво-стям, а объемной силой Ампера, действующей по всей толщине плазмы. Такая конструкция плазменного лайнера существенно меньше подвержена неустойчивости Релея—Тейлора, по сравнению с тонкими плазменными оболочками с толщиной порядка скин-слоя. Очевидно, что существует оптимум по толщине такого плазменного лайнера при котором сжатие плазмы компактно и устойчиво и возможна генерация мощного импульса мягкого рентгеновского излучения [4].

Для описания затянутого плазмообразования коллективом установки Ангара-5-1 развивается теоретическая модель, описывающая процесс имплозии сборки из вольфрамовых проволок в одномерном МГД-приближении [6, 11]. В модели источник плазмы состоял из бесконечного кол-ва проволок, расположенных на начальном радиусе сборки R0, которые непрерывно производят плазму с интенсивностью m (t), пропорциональной ~(I/R0)2. Модель описывает формирование радиального замагниченного плазменного потока с проволок к оси сборки и формирование там на начальной стадии имплозии плазменного предвестника с частью разрядного тока. Этот предвестник наблюдается экспериментально [12]. В настоящее время эта модель уточняется [13]. К этой модели близка также предложенная на установке MAGPIE "ракетная" модель ("rocket

model") для описания скорости плазмообразования [14]. В этой модели, однако, ток и магнитное поле в предвестнике отсутствуют.

При окончании процесса абляции, когда заканчивается вещество в остовах, происходит сжатие всей плазмы к оси. Неравномерность абляции приводит к прорыву магнитного потока сквозь освобожденные от источников плазмы участки. Этот процесс назван в работе [10] "плазменным ливнем".

Для понимания процесса токового сжатия проволочных сборок (и, возможно, управления им) требуется дальнейшее исследование физических явлений и процессов, таких как: формирование плазменного предшественника, интенсивность производства плазмы, сжатие пинча (стагнация), оставшаяся на периферии масса лайнера, перераспределение плотности тока, многократные сжатия пинча, прорыв магнитного потока, устойчивость сжатия пинча, которые могут сильно влиять на полный выход излучения, а также генерация ЖР и пучков быстрых электронов, которые в значительной степени могут влиять на возможность применения Z-пинчевого источника рентгена.

Одно из направлений таких исследований — измерения магнитных полей внутри сборки в процессе имплозии. Эти измерения осуществляются путем использования эффекта вращения плоскости поляризации [15] и/или микрозондо-вой методикой [16, 17].

Распределение магнитного поля и вещества внутри проволочной сборки в значительной мере определяется профилем скорости плазмообразо-вания. Измерения магнитных полей внутри сборки дают важную информацию о физике всего процесса, которую можно использовать в дальнейшем для оптимизации параметров сборок и импульса мягкого рентгеновского излучения [12].

Сопоставляя временную зависимость индукции азимутального магнитного поля, измеренной зондами на разных радиусах проволочной сборки, с различными расчетными кривыми, полученными по упомянутому выше одномерному коду для разных профилей m (t), можно найти такой профиль m (t), который наилучшим образом соответствует зондо-вым сигналам. По полученной таким образом зависимости m (t) рассчитываются радиальные распределения тока, плотности плазмы и радиальной скорости плазмы в разные моменты времени имплозии проволочной сборки [12, 18].

Эксперименты на установке Ангара-5-1 с проволочными сборками из вольфрама показали, что численные данные о распределении магнитных полей и вещества могут быть использованы для проверки теоретических моделей, учитывающих явление длительного плазмообразования, радиальные профили магнитного поля и вещества.

Экспериментальное изучение и сравнение распределений магнитного поля и вещества при

имплозии проволочных сборок из проволок различного химического состава позволят уточнить имеющиеся теоретические модели имплозии проволочной сборки с учетом элементного состава проволок. Зависимость от свойств вещества начальной фазы процесса взрыва проволок при пропускании через них импульса тока имеет большое значение при исследованиях имплозии проволочных лайнеров.

Изучению зависимости скорости расширения одиночной проволоки диаметром 25 мкм, взрывающейся под действием синусоидального импульса тока с амплитудой тока до 4 кА и временем нарастания 350 нс, от энергии испарения для проволок из цинка, серебра, алюминия, золота, меди, свинца, платины, никеля, вольфрама и титана посвящена работа [19]. Авторы этой работы показали, что для легкоплавких металлов с низкой температурой плавления, таких как золото, алюминий, серебро и цинк, для которых энергия, затрачиваемая для достижения точки плавления вещества, мала, измеренная скорость расширения нагреваемых током проволок изменяется соответственно: от 2 х 105 см/с для золота до 5 х 105 см/с для цинка. Для проволок из титана, вольфрама, никеля и платины измеренная скорость расширения проволок изменяется в пределах от 2 х 104

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.

Показать целиком