ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 10, с. 866-889
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.082.7.76
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПЛАЗМЕ МНОГОПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК
НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1
© 2012 г. К. Н. Митрофанов, Е. В. Грабовский, Г. М. Олейник, В. В. Александров, А. Н. Грицук, И. Н. Фролов, Я. Н. Лаухин, П. В. Сасоров, А. А. Самохин
ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Москва, Россия
e-mail: mitrofan@triniti.ru Поступила в редакцию 06.03.2012 г. Окончательный вариант получен 12.04.2012 г.
Представлены результаты исследований имплозии проволочных (вольфрам, алюминий, молибден) и волоконных сборок (капрон) на установке Ангара-5-1 при токе до 4 МА. Впервые подробно измерены радиальные распределения азимутального магнитного поля на стадии плазмообразования при сжатии таких сборок. Рассчитаны радиальные распределения плотности тока. Проведено сравнение с данными оптической щелевой развертки и электротехнических измерений тока и напряжения. На основании полученных экспериментальных результатов сделана оценка интенсивности плазмообразования сборок, изготовленных из различных веществ.
1. ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных вопросов при исследованиях физики имплозии и ускорения лайнеров для ИТС [1, 2] является вопрос о параметрах токовой оболочки. Пространственное распределение массы и тока на стадии ускорения плазмы определяет эффективность концентрации энергии на оси и, в конечном счете, временной профиль и мощность импульса мягкого рентгеновского излучения (МРИ), требующегося для сжатия термоядерной мишени [3]. Поскольку магнитное поле проникает внутрь лайнера вместе с веществом, некоторую необходимую информацию может дать измерение магнитных полей внутри плазмы. На сегодняшний момент существуют весьма отрывочные экспериментальные данные о поведении магнитного поля внутри объема проволочных сборок во время их имплозии. На различных сильноточных установках предпринимались попытки исследования магнитного поля в таких плазменных нагрузках.
На установке Ангара-5-1 (4 МА, 100 нс, Россия, ТРИНИТИ), по-видимому, впервые начались систематические измерения магнитных полей в плазме вольфрамовых многопроволочных сборок в условиях высоких плотностей мощности излучения до 1 ТВт/см2 [4]. В работе [5] показано, что магнитное поле разрядного тока вмораживается в плазму и проникает внутрь проволочной сборки еще на стадии плазмообразования. Зарегистрировано, что ток вначале протекает в отдельных плазменных струях, вытянутых от начального расположения проволок к оси сборки. Из измерений миниатюрными магнитными зон-
дами магнитного поля в 2-х точках по радиусу при помощи МГД-модели имплозии проволочной сборки [6, 7] определена важная характеристика затянутого плазмообразования — интенсивность производства плазмы с поверхности остовов проволок в проволочной сборке m(t) в мкг/(см2 • нс). Для вольфрамовой сборки радиусом 1 см при уровне разрядного тока 1 МА эта величина составляет m(t)\W « (0.125—0.18) мкг/(см2 • нс). Плазменный предвестник, формирующийся в области оси вольфрамовой проволочной сборки на начальной стадии имплозии, несет часть разрядного тока (~15%). Последующие эксперименты на установке COBRA (1 МА, 100 нс, США, Cornell University) по измерению магнитных полей при помощи зондов внутри плазмы алюминиевых проволочных сборок [8] подтвердили результаты экспериментов на установке Ангара-5-1. Подобные эксперименты с применением магнитных зондов проводились и на установке Qiang-Guang-I (1-1.4 МА, 60 нс, Китай, Northwest Institute of Nuclear Technology) [9].
Одной из слабых сторон проведенных экспериментов на этих установках было малое количество точек регистрации магнитного поля внутри проволочной сборки. С другой стороны, измерения осложняет то, что магнитозондовый метод исследования плазмы является контактным методом, что ведет к возмущениям исследуемого объекта.
В других исследовательских лабораториях были предприняты попытки измерения магнитных полей в проволочных сборках бесконтактным методом путем использования эффекта вращения
Типы нагрузок
Выстрел Нагрузка Радиусы расположения магнитных зондов, мм Примечание
3974 Проволочная сборка из 40 W 6 мкм проволок, 6.5, 8.5 МГД-расчет [6]
4929 погонной массы 220 мкг/см. Радиус сборки — 3.96, 4.54, 5.51, 6.51, 8.34, 8.81
10 мм, высота — 15—16.5 мм.
4930 3.42, 4.03, 4.99, 5.79, 7.39, 8.55
5089 4.63, 5.13, 5.81, 5.82, 6.45, 7.13, 8.02, 8.38, 8.88
5148 8.4, 8.6, 9.26, 9.54, 9.89 Измерение магнитного поля вблизи одной из проволок в сборке
5012 Проволочная сборка из 40 А1 15 мкм проволок, погонной массы 220 мкг/см. Радиус сборки — 10 мм, высота — 16.5 мм. 3.81, 4.81, 5.96, 6.88, 7.60, 8.40
5088 Проволочная сборка из 20 Мо 20 мкм проволок, погонной массы 640 мкг/см. Радиус сборки — 10 мм, высота — 15 мм. 4.33, 5.59, 5.79, 6.66, 8.37, 8.90 в выстреле № 5088 предымпульс 1 модуля установки в течении ~200 нс
5092 5.22, 5.22, 5.39, 6.08, 7.84, 9.11 -
5013 Волоконная сборка из 40 капроновых волокон 4.0, 4.0, 6.02, 6.69, 7.43, 8.45 -
5079 25 мкм, погонной массы 220 мкг/см. 3.24, 4.30, 4.93, 5.86, 8.11, 9.02
Радиус сборки — 10 мм, высота — 15 мм.
плоскости поляризации зондирующего лазерного излучения (эффект Фарадея). На установке MAGPIE (1.4 МА, 240 нс, Великобритания, Imperial College) при помощи данной диагностики исследовались параметры токового предвестника вольфрамовой сборки. Было показано, что ток предвестника зависит от количества проволок (или межпроволочного зазора) в сборке и составляет не более 11% полного тока [10]. Вблизи предвестника зарегистрировано магнитное поле на уровне 2 Тл. Тем же методом на установке ZEBRA (1 МА, 100 нс, США, University of Nevada, Reno) проведены измерения магнитного поля на финальной стадии сжатия алюминиевой проволочной сборки [11]. На этой стадии имплозии внешний магнитный поток прорывается внутрь проволочной сборки в тех местах на ее периферии, где закончилось плазмообразование с проволок, тем самым образуя так называемые магнитные пузыри (magnetic bubbles). Основная доля полного тока переключается с периферии проволочной сборки в область ее оси. Данное явление в работе
[12] называлось плазменным ливнем. В работе
[13] на установке COBRA при помощи эффекта Фарадея измерены магнитные поля выше 10 Тл вне проволочной сборки и до 2 Тл внутри проволочной сборки на стадии производства плазмы (до 40 нс разряда). К сожалению, в упомянутых выше работах использующих эффект фарадеев-ского вращения плоскости поляризации зондирующего излучения, не были представлены радиальные распределения магнитного поля.
На сегодняшний момент не существует подробных экспериментальных данных о форме и динамике во времени радиального распределения азимутального магнитного поля внутри плазмы проволочной сборки. Целью данной работы было исследование радиального распределения магнитного поля во время имплозии проволочных сборок из различных веществ. В работе представлены результаты измерения магнитного поля в плазме многопроволочной сборки при помощи магнитных зондов усовершенствованной конструкции. Увеличенная точность позиционирования датчиков по радиусу проволочной сборки и возможность размещения большего количества измерительных петель внутри проволочной сборки (до 9 штук), позволили получать радиальные распределения азимутального магнитного поля.
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводились на установке Ан-гара-5-1 [14]. В качестве плазмообразующих нагрузок использовались проволочные сборки из тонких вольфрамовых, алюминиевых и молибденовых проволок, а также из капроновых волокон. Параметры нагрузок представлены в таблице. Вольфрамовые, алюминиевые проволоки и волокна капрона имели одинаковую погонную массу 5.5 мкг/см, молибденовые проволоки — около 32 мкг/см. Таким образом, из вольфрамовых, алюминиевых проволок капроновых волокон было возможным изготавливать сборки с одинако-
Рис. 1. Расположение многоканальных магнитных зондов внутри многопроволочной сборки в экспериментах по измерению радиального распределения магнитного поля.
а) — общий вид магнитных зондов с проволочной сборкой; б) увеличенный фрагмент рисунка с зондами внутри проволочной сборки. 1 — многопроволочная сборка, 2 — юстировочный диск для позиционирования зондов на различных радиусах и азимутальных углах внутри нагрузки, 3 — корпус магнитных зондов, 4 — чувствительные элементы магнитных зондов, 5 — высокочастотные разъемы (СР-50-135ФВ) для подключения коаксиальных кабелей.
выми параметрами — диаметр сборки (20 мм), погонная масса (220 мкг/см), количество проволок (волокон) 40 штук.
При проведении экспериментов использовался ряд стандартных диагностик: измерения полного тока через нагрузку проводились петлевым датчиком тока, напряжение в области сепара-триссы установки измерялось при помощи индуктивного делителя напряжения. По измеренным полному току и напряжению рассчитывалась индуктивность плазменной нагрузки в предположении отсутствия омической составляющей напряжения вплоть до самого сжатия плазмы на оси. Из индуктивности рассчитывался эффективный токовый радиус Я(). Подробно метод расчета радиуса Я() приведен в разд. 3.5 данной статьи. Данные с оптической радиальной развертки на базе СФЭР-2 использовались для исследования динамики сжатия плазмы на финальной стадии имплозии. Полученные из этих диагностик зависимости токового и оптического радиусов от времени позволили сопоставить их с моментами прохождения токонесущей плазмой мест локализации магнитных зондов.
Мощность импульса МРИ (>100 эВ) на финальной стадии сжатия измерялась при помощи
вакуумных рентгеновских диодов (ВРД-детекто-ров).
Для исследования радиального распределения азимутального магнитного поля использовались миниатюрные абсолютно калиброванные магнитные зонды [4, 15, 16], разработанные ранее во ФГУП "ГНЦ РФ ТРИНИТИ".
Конструкция магнитных зондов и восстановление
радиального распределения магнитного поля
В данной работе были применены модернизированные магнитные зонды, которые позволяли измерять магнитное поле в нескольких точках (от 6 до 9) по
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.