ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 1, с. 33-40
ДИНАМИКА ^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ И ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ 7-ПИНЧЕЙ МНОГОПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК
© 2004 г. Е. В. Грабовский, Г. Г. Зукакишвили, С. Л. Недосеев, Г. М. Олейник, И. Ю. Порофеев
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований"
Поступила в редакцию 20.03.2003г. Окончательный вариант получен 21.07.2003 г.
Посредством камеры-обскуры на установке Ангара-5-1 исследуются процессы имплозии многопроволочных сборок. Показано, что снос плазмы на ось осуществляется в виде "плазменного ливня". Представлен материал, составивший часть базы экспериментальных данных, на основании которых сформулирован вывод о том, что пространственная структура сжимаемой плазмы столь неоднородна, что ни о какой цельной сжимающейся плазменной оболочке речи быть не может. Таким образом, определяющее влияние на конечные параметры сверхтераваттного излучающего 2-пинча оказывают неоднородности сжимаемой плазмы, возникающие вследствие "холодного старта" и затянутого плазмообразования.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время широко исследуется токовое сжатие многопроволочных сборок (лайнеров) [1-3]. На фазе максимального сжатия лайнера генерируется мощный импульс мягкого рентгеновского излучения (МРИ), который предполагается использовать для целей ИТС.
Согласно концепции затянутого плазмообразования [4], имплозия многопроволочных сборок происходит следующим образом. Сразу же после начала тока через многопроволочную сборку на поверхности проволок образуется плазма, и ток разряда переключается с проволок на эту низкоплотную плазму (корону). Керны проволок остаются в начальном положении в течение значительной части разряда и являются неподвижными источниками плазмы. Плазма короны, где протекает основная часть тока, под действием силы Ампера сносится к оси сборки.
В [5] было показано, что на 70-й нс после начала разряда при токе ~1 МА масса плотных кернов от проволочек составляет ~70% от исходной. Изначально многопроволочная сборка представляет собой набор проволок, равномерно расположенных вдоль образующей цилиндра. Поэтому потоки плазмы от проволок уже с самого начала структурированы в азимутальном направлении. В аксиальном направлении плазмообразование с отдельных проволочек происходит также неравномерно.
Наличие азимутальной и аксиальной модуляции плотности плазмы, срывающейся с проволочек лайнера, приводит к образованию струй, ко-
торые могут сливаться и самофокусироваться под влиянием собственного магнитного поля. В [6] это явление названо "радиальным плазменным ливнем". В данной работе утверждается, что определяющее влияние на конечные параметры сверхтераваттного излучающего 2-пинча оказывают неоднородности сжимаемой плазмы, возникающие вследствие его "холодного старта" и последующего затянутого плазмообразования.
В настоящей работе представлен материал, составивший часть базы экспериментальных данных, на основании которых были сформулированы основные выводы [6].
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Эксперименты проводились на установке Ангара-5-1 [7]. В качестве нагрузки использовались сборки, из вольфрамовых проволок в количестве 30-120 шт диаметром 5-8 мкм. Диаметр сборок варьировался в интервале 8-20 мм, а длина в интервале 1-1.5 см. Также исследовались композиции, состоящие из двух вложенных многопроволочных сборок и сплошного цилиндра из агар-агара малой плотности на оси сборок.
Основной диагностической методикой, использованной в настоящей работе, являлась визуализация 2-пинча с помощью интегральных по времени рентгеновских камер-обскур высокого пространственного разрешения. Интегральные по времени камеры-обскуры широко используются в экспериментах с быстрыми 2-пинчами как информативная, простая и надежная методика (см., например [8]). Для получения изображений
720 740 760 780 800 820 840 не
Рис. 1. Типичные осциллограммы тока J (1) и мощности мягкого (~200 эВ) рентгеновского излучения Ж (2).
сжимаемого током лайнера в различных диапазонах жесткости регистрируемых квантов, камеры-обскуры снабжались фильтрами. Пространственное разрешение по объекту достигало 30 мкм для квантов с энергией 1 кэВ. Достигнутое в наших экспериментах высокое пространственное разрешение интегральных по времени камер-обскур позволяет получать информацию о фазах сжатия, имеющих весьма малую длительность. Действительно, если излучающий объект имеет характерный размер Ах и при этом движется со скоростью V, то для получения его резкого изображения он должен излучать не дольше, чем ~ Ах/v. Полагая, что скорость движения излучающего плазменного образования порядка альфвенов-ской, V ~ 3 х 107 см/с, получим, что длительность свечения объекта с размером Ах ~ 100 мкм должна составлять доли наносекунды, иначе его изображение не будет резким. Для получения более полной информации о неоднородностях пинча в некоторых экспериментах ставились две камеры-обскуры на взаимоперпендикулярных направлениях. В результате фиксирования двух проекций объекта под углом 90 возможно определение объемных параметров структуры объекта.
Кроме камеры-обскуры использовались также и другие методы диагностики. Кратко перечислим только те, результаты которых приведены в настоящей работе:
• магнитные зонды на радиусе 55 мм для измерения тока через лайнер;
• кадровый рентгеновский электронно-оптический преобразователь (РЭОП) на основе МКП камеры;
• активное лазерное зондирование в кадровом режиме для регистрации теневых изображений;
методика измерения МРИ, еоетоящая из 4-х вакуумных рентгеновеких диодов (ВРД) е различными поглощающими фильтрами для региетра-ции временных профилей мощноети в диапазоне энергий квантов 0.1-2 кэВ.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На уетановке Ангара-5-1 в результате имплозии многопроволочных еборок выеотой 10-15 мм и диаметром 8-20 мм на оеи образуетея пинч такой же выеоты и диаметром < 1 мм, излучающий большую чаеть энергии в диапазоне 0.05-1.5 кэВ. Типичные оециллограммы тока и мягкого рент-геновекого излучения показаны на рие. 1. Отношение начального радиуеа лайнера R к минимальному радиуеу r Z-пинча (фикеируемому камерой-обекурой) позволяет еудить о етепени ежатия нагрузки. В наших экепериментах R/r = 10, а мощ-ноеть выхода мягкого рентгеновекого излучения еоетавляет ~5 ТВт за время около 6 не. При излучаемая энергия около 40 кДж. Изображение типичных Z-пинчей в мягком рентгеновеком излучении предетавлено на рие. 2.
Структура излучающей генерируемой плазмы
Из интегральной по времени обекурограммы (ем. рие. 3) еледует, как плазма в виде етруй еры-ваетея е отдельных проволочек и еноеитея к оеи. Раеетояние в акеиальном направлении между етруями от одной проволоки еоетавляет в еред-нем 150 мкм. В дальнейшем, плазменные етруи объединяютея в более крупные образования, которые можно видеть на рие. 4. Раеетояние между такими образованиями в акеиальном направлении еоетавляет около 1 мм. Эти етруи заполняют плазмой полоеть лайнера и образуют плазменный предвеетник вблизи оеи (препинч). Плазма еветитея в мягком рентгеновеком излучении е энергией квантов 100-300 эВ.
Неоднородноеть плазмообразования видна как на лазерном теневом изображении, так и на кадровой обекурограмме е временным разрешением ~2 не в еобетвенном мягком рентгеновеком (~200 эВ) излучении (ем. рие. 5). Экеперимент показывает, что шаг неоднородности плазмообразования вдоль каждой проволоки равен 100-200 мкм. Срывающаяея е проволок плазма в виде етруй длиной ~1 мм еноеитея к оеи. Методики е временным разрешением, так же как интегральная по времени камера-обекура, подтверждают еущеет-вование протяженных плазменных етруй, начина-ющихея е каждой проволоки.
Керны проволочек лайнера на обекурограм-мах (рие. 3, 4) выглядят как еветлые вертикальные линии на фоне излучения плазмы, етекаю-щей е проволочек. Это означает, что для излучения этой плазмы проволочки лайнера являются
0 0.8 мм
0 0.4 мм катод
анод
(а)
(б)
Рис. 2. Обскурограммы 2-пинча в собственном излучении. Энергия квантов а) Ну > 200 эВ, б) Ну > 600 эВ (длина пинча 1 см).
непрозрачными и на регистраторе образуют тени. Оценка диаметра проволочек составляет 50 мкм, который достигается в процессе имплозии при расширении плотного остова. Так как описываемая обскурограмма является интегральной по времени, ясно, что тени кернов могут наблюдаться только в том случае, если проволоки исчезают одновременно или позже момента исчезновения струй, на фоне излучения которых они и видны.
Тени от проволочек в мягком рентгеновском излучении наблюдаются и на кадровых обскуро-граммах длительностью 2 нс (рис. 6). Срабатывание затвора РЭОПа происходило на 70 нс после начала тока. В этот момент на фоне плазмы внутри лайнера видны тени проволок лайнера и плазмы, испаряющейся с проволок. Следует заметить, что срыв плазмы с проволок лайнера происходит неравномерно в аксиальном направлении. Шаг модуляции составляет 100-200 мкм, а размер тени проволочки изменяется от 200 до 400 мкм. Этот размер на порядок превосходит размер проволок, оцененных по интегральным по времени обску-рограммам. Связано это с тем, что интегральная по времени камера-обскура фиксирует минимальный размер тени проволоки, окруженной плазменной короной, за все время процесса имплозии. РЭОП же фиксирует размер тени проволоки, окруженной плазмой, на фоне препинча в момент срабатывания затвора МКП.
I/
анод
катод
100 мкм
Рис. 3. Изображение внешней части лайнера в свете квантов Ну > 50 эВ.
1 - ось многопроволочной сборки; 2 - плазма, срывающаяся с проволок сборки в виде струй; 3 - тени проволок на фоне плазмы.
2
3
8 мм
Рис. 4. Изображение лайнера (08 мм) в свете квантов hv > 150 эВ, где плазма в виде струй (1) сносится с периферии лайнера на ось.
Плазменные сгустки, отстоящие от Z-пинча
Описанные выше явления сноса плазмы с проволочек и объединение струй в более крупные образования ведут к самофокусированию некоторых из них в области оси сборки. Наряду с этим присутствует эффект столкновения струй уже ра-
зогретой до нескольких десятков эВ плазмы в приосевой области. Это прив
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.