ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 1, с. 71-96
^ ДИНАМИКА ^^^^^^^^^^^^^^^^
ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ОБЛАСТИ Z-ПИНЧА ПРИ СЖАТИИ ПЕНО-ПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1
© 2013 г. К. Н. Митрофанов*, Е. В. Грабовский*, А. Н. Грицук*, Я. Н. Лаухин*, В. В. Александров*, Г. М. Олейник*, С. Ф. Медовщиков*, А. П. Шевелько**
* ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Москва, Россия ** Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия e-mail: mitrofan@triniti.ru Поступила в редакцию 12.04.2012 г.
Окончательный вариант получен 30.05.2012 г.
Приведены результаты экспериментальных исследований особенностей структуры сжатого состояния Z-пинча лайнеров типа пено-проволочных конструкций при токе до 3 МА. Пено-проволочная конструкция состояла из двух вложенных друг в друга полых цилиндрических лайнеров, один из которых представлял собой пенный лайнер, а другой — многопроволочную сборку. Пенный лайнер изготовлялся из малоплотной пены агар-агара в виде сплошного цилиндра или полой цилиндрической оболочки с толщиной стенки 100—200 мкм. Проанализированы изображения пинча и его спектра, полученные при помощи многокадровых рентгеновских камер и с использованием дифракционного спектрографа скользящего падения с пространственным разрешением. На финальной стадии сжатия лайнеров пено-проволочных конструкций получены данные о пространственной структуре излучающих областей и спектра Z-пинча в области мягкого рентгеновского излучения. Обнаружены режимы имплозии с формированием горячих областей при имплозии лайнеров такого типа. Измерены характерные масштабы горячих областей. Показано, что энергетическое распределение квантов в спектре мягкого рентгена в диапазоне от 80 эВ до 1 кэВ формирует пространственную структуру изображений при сжатии Z-пинча пено-проволочных конструкций. Обнаружено, что спектральная плотность мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергии квантов 300—600 эВ из горячих областей Z-пинча более чем на порядок превышает спектральную плотность излучения из соседних областей пинча. Из анализа пространственного распределения спектров мягкого рентгеновского излучения многозарядных ионов Z-пинча впервые зарегистрированы группы линий, обусловленные поглощением и испусканием излучения атомами и многозарядными ионами углерода и кислорода пенного лайнера во внешнем каскаде пено-проволочной конструкции. Идентифицированы группы линий поглощения ионов (C III, O III, O IV, O VI), соответствующие поглощению в спектре мягкого рентгеновского излучения Z-пинча вольфрамовой проволочной сборки, которая была внутренним каскадом лайнера пено-проволочной конструкции. Измеренная по зарядовому составу ионов углерода и кислорода электронная температура плазмы во внешнем пенном лайнере из агар-агара составила 10—40 эВ. При имплозии током до 3 МА лайнеров исследованных пенно-проволочных П-П-конструкций получены импульсы мягкого рентгена (с hv > 100 эВ) при пиковой мощности 3 ТВт с длительностью 10 нс. Показано, что временной профиль мощности мягкого рентгеновского излучения можно контролировать, формируя как однопиковую, так и двухпиковую структуру за счет изменения параметров внешнего и внутреннего каскадов лайнера пено-проволочной конструкции.
DOI: 10.7868/S0367292112120049
1. ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени наработан обширный экспериментальный материал по исследованию параметров плазмы и ее сжатого состояния в различных типах плазменных разрядов: в вакуумной искре [1, 2], Z-пинчах с газовым напуском [3, 4], плазменном фокусе [5, 6], при быстром электровзрыве одиночных проволок [7—11], в Х-пинче [12—15] и Z-пинчах многопроволочных сборок различных типов [16—23]. На установках типа плазменный фокус и вакуумная искра было обнаружено важное и интересное плазменное явле-
ние, именуемое "горячей точкой" (или микро-пинчем, плазменной точкой). Позже горячие точки (ГТ) были зарегистрированы и исследованы в других типах разрядов, в том числе и в Z-пинчах многопроволочных сборок [20, 24—26]. Было предложено физическое объяснение развития перетяжки на пинче и образования ГТ при помощи модели радиационного коллапса [27—31].
На современных установках по токовому сжатию плазмы в области ГТ (микронных размеров) формируются уникальные условия для получения
плотной высокотемпературной плазмы (ne > 1022 см3, Te > 800 эВ) [32-35].
Плазма с такими параметрами будет характерна для Z-пинча установок будущего поколения. В настоящее время существуют несколько проектов мультимегаамперных установок нового поколения (БАЙКАЛ, Х-1, Эмир: I = 50-60 МА, At ~ 100-800 нс), способных, по современным представлениям, получить мощный выход мягкого рентгеновского излучения (МРИ): P > 1000 ТВт в квантах с энергией hv > 100 эВ. В недавнем прошлом на установке Z (I = 18 МА, At = 100 нс) в лаборатории Сандия (США) при сжатии вольфрамовых многопроволочных сборок получен рекордный выход мощности рентгеновского излучения до 200 ТВт с энергией ~2 МДж [19]. Мощный импульс рентгеновского излучения с заданным временным профилем требуется для осуществления симметричного и стабильного сжатия термоядерной мишени по программе ИТС. Для получения заданного временного профиля мощности МРИ при имплозии вольфрамовых многопроволочных сборок необходимо создать определенное радиальное распределение массы и тока пинча в момент его стагнации, которые в свою очередь зависят от эффективности производства и сноса плазмы к оси на стадии плазмообразования [18, 36-38]. На этой стадии формируется пространственное распределение массы и магнитного поля (тока) внутри сжимающейся плазмы [39].
В 1988 г. была предложена концепция двойного лайнера (динамический хольраум, dynamic-hohlraum) [40] как многообещающий путь для облучения термоядерной мишени. В качестве вещества внутреннего каскада (лайнера) динамического хольраума (ДХ) используются смеси веществ из легких и средних элементов с добавкой тяжелых примесей, например, в виде пенного лайнера, внутри которого помещена термоядерная мишень. Внутренний каскад играет роль гидродинамической преграды и, в то же время, излучателя МРИ. Плазма внешнего каскада ДХ при ударе, помимо функции драйвера кинетической энергии, осуществляет функцию теплоизолирующей оболочки, препятствующей выходу излучения наружу, т.е. имеет высокую поглощающую способность. В этом случае может быть осуществлен режим усиления интенсивности и температуры излучения, падающего на мишень. Было проведено теоретическое и экспериментальное исследование динамического хольраума на установке Ангара-5-1, и первые результаты представлены в работах [41, 42]. В экспериментах на установке Z в схеме ДХ была получена интенсивность МРИ выше 287 ТВт/см2 с длительностью импульса около 4 нс [43]. Яркостная температура излучения на мишень составила примерно 215 эВ.
Для согласования амплитуды и скорости нарастания тока будущих установок со временем имплозии пинча для достижения максимальной пиковой мощности излучения потребуется разработка оптимальной конструкции излучающей нагрузки с линейной массой более 100 мг/см. Большая масса нагрузки и, соответственно, большая масса Z-пинча будет ограничивать пиковую мощность МРИ, требующуюся для сжатия термоядерной мишени непрямого облучения. Как показано в теоретической работе [44], это ограничение связано с увеличением оптической толщины пинча. Как следствие этого, падает пиковая мощность МРИ и увеличивается время выхода излучения из пинча для веществ с большим атомным номером (медь, вольфрам). В этой же работе было показано, что конструкция многокаскадного лайнера массой до 150 мг/см, состоящая из веществ с малым атомным номером (бериллий, СН2-пена), способна генерировать импульс рентгеновского излучения с необходимым временным профилем и амплитудой до 2000 ТВт для эффективного сжатия термоядерной мишени, состоящей из дейте-рий-тритиевой смеси в бериллиевой капсуле, с энергетическим выходом до ~500 МДж [45].
Эксперименты на установке Ангара-5-1 продемонстрировали эффективность сжатия плазмы вложенных сборок с погонной массой до 500 мкг/см, одним из каскадов которых является сборка из волокон, изготовленных из диэлектрического вещества с малым Z ~ 4 (капрон) [46]. Существенным отличием волокон, применявшихся в этих экспериментах, по сравнению с бериллием было отсутствие у пластиковых волокон начальной электропроводности.
Необходимость поиска оптимальных параметров конструкции лайнеров с большой массой для генерации мощных импульсов МРИ при токах 50—60 МА обусловила интерес к исследованию имплозии и сжатого состояния многокаскадных вложенных лайнерных нагрузок, где одним из каскадов является лайнер из вещества с малым атомным номером (например, пена из агар-агара или волокна из диэлектрика со средним Z ~ 4), а другой каскад представляет собой сильноизлуча-ющую многопроволочную сборку из вещества с высоким атомным номером. В качестве одного из вариантов такой нагрузки в наших экспериментах использовались вложенные друг в друга проволочная сборка и пенный лайнер — пено-прово-лочная (П-П) конструкция. Применение пены в лайнерах П-П-конструкций является оригинальным подходом в изучении ее влияния на сжатое состояние плазмы и получении новых экспериментальных данных о структуре излучающей области, необходимых при разработке численных моделей РМГД-расчетов имплозии лайнеров и верификации их предсказаний при сравнении с экспериментом.
Целью данной работы было изучение влияния параметров лайнеров П-П-конструкций на энергетические и излучательные характеристики пинча как мощного источника излучения. Она включала в себя следующие задачи: исследование имплозии лайнеров П-П-конструкций для формирования сильноизлучающего Z-пинча, получение экспериментальных данных о пространственной и спектральной структуре Z-пинча и изучение способов профилирования во времени импульса мощности излучения такого источника.
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В общем случае для обеспечения хорошей эффективности преобразования энергии, запасенной в генераторе импульсной мощности, в кинетическую энергию сжимающегося лайнера, нужно выбра
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.