научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ПЛАЗМООБРАЗОВАНИЯ НА ДИНАМИКУ ИМПЛОЗИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК С ПРОФИЛИРОВАНОЙ ЛИНЕЙНОЙ МАССОЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ПЛАЗМООБРАЗОВАНИЯ НА ДИНАМИКУ ИМПЛОЗИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК С ПРОФИЛИРОВАНОЙ ЛИНЕЙНОЙ МАССОЙ»

ДИНАМИКА ^^^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ

УДК 533.9

ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ПЛАЗМООБРАЗОВАНИЯ НА ДИНАМИКУ ИМПЛОЗИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК С ПРОФИЛИРОВАНОЙ ЛИНЕЙНОЙ МАССОЙ

© 2013 г. В. В. Александров, К. Н. Митрофанов, А. Н. Грицук, И. Н. Фролов, Е. В. Грабовский, Я. Н. Лаухин

ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Троицк, Москва, Россия

е-таП:тиго/ап@МпШ.гы Поступила в редакцию 28.02.2013 г. Окончательный вариант получен 12.04.2013 г.

Приведены результаты экспериментов по имплозии сборок из проволок и металлизированных волокон током до 3.5 МА на установке Ангара-5-1 в зависимости от параметров нанесенной на них дополнительной линейной массы висмута и золота. Изучено проникновение магнитного поля с плазмой к оси цилиндрических сборок в зависимости от материала проволок/волокон и нанесенного на них слоя металла. Из анализа изображений оптических щелевых разверток динамики радиального сжатия плазмы при имплозии сборок получены сравнительные данные об интенсивности производства плазмы для различных металлов. Определена интенсивность производства плазмы тт для цилиндрической сборки из металлизированных висмутом капроновых волокон. При начальном радиусе сборки К0 = 1 см и разрядном токе I = 1 МА величина тВ/ « (0.095 ± 0.015) мкг/(см2 нс).

БО1: 10.7868/80367292113100016

1. ВВЕДЕНИЕ

Токовая имплозия многопроволочных сборок с применением сверхмощных генераторов тока позволяет в режиме Z-пинча получать плотную высокотемпературную плазму многозарядных ионов и генерировать тепловое излучение высокой интенсивности. Они необходимы для изучения проблем физики высоких плотностей энергии и инерционнного термоядерного синтеза (ИТС). В настоящее время в мире проводятся эксперименты по изучению имплозии квазисферических проволочных сборок как одного из перспективных источников мягкого рентгеновского излучения [1—4]. В работе [1] теоретически было показано, что в отличие от двумерной имплозии цилиндрических сборок трехмерная имплозия квазисферической сборки требует пространственного профилирования распределения ее массы. Кроме того, в подобных условиях, например, в процессе сжатия двойных вложенных сферических оболочек в схеме "динамического холь-раума", возможно увеличение интенсивности теплового излучения, заполняющего полость хольраума, более чем в 2 раза.

Таким образом, для увеличения эффективности трансформации электрической энергии сверхмощных генераторов тока в тепловое излучение при сферической газодинамической кумуляции проволочных сборок требуется как пространственное профилирование распределения ее линейной массы, так и учет влияния непро-

зрачности плазмы из смеси ионов различных веществ на параметры импульса рентгеновского излучения.

Важнейшим параметром при численном моделировании трехмерного сжатия квазисферических сборок является интенсивность плазмообра-зования, которая, как показано в работе [5], определяет как динамику сжатия плазменных потоков, так и формирование пространственной структуры пинча.

Как было показано в [6, 7], магнитное поле разрядного тока вмораживается в плазму и проникает внутрь проволочной сборки еще на стадии плазмообразования. Проникновение плазмы с вмороженным магнитным полем определяется интенсивностью плазмообразования т(г), которая в свою очередь зависит от вещества проволок или волокон [8—10].

При имплозии цилиндрических проволочных сборок сжатие пинча, процессы диссипации кинетической и магнитной энергии и генерации импульса излучения зависят как от массы и вещества проволок, так и пространственного распределения магнитного поля, вмороженного в плазменные потоки.

В данной работе для получения данных об интенсивности плазмообразования, необходимых для численного моделирования имплозии квазисферических сборок, выполнены эксперименты по имплозии цилиндрических проволочных сбо-

Характеристики цилиндрических проволочных/волоконных сборок

№ выстрела Материал проволок (волокон) Количество проволок (волокон) Диаметр проволок, мкм Радиус сборки Я0, мм Высота сборки к, мм Линейная масса без напыления, мкг/см Параметры напыления: (вещество, область, толщина А, линейная масса)

4921* W 40 6 10 16.5 220 без напыления

4876 W 40 6 10 15 220 В1, на 0.5к ± 4 мм, А ~ 0.68 мкм (56 мкг/см)

4872 W 40 6 10 15 220 В1, на 0.5к ± 4 мм, А ~ 0.73 мкм (60 мкг/см)

4685 капрон 40 25 10 15 220 В1, на 0.5к ± 4 мм, А ~ 0.9 мкм (264 мкг/см)

4595, 4596 96%W + 4%Аи 30 10 10 15 360 Аи, на к = 15 мм, А ~ 0.082 мкм (15 мкг/см)

4687 капрон 40 25 10 15 220 В1, на к = 15 мм, А ~ 1.0 мкм (310 мкг/см)

4690 капрон 16 25 10 15 88 В1, на к = 15 мм, А ~ 1.2 мкм (154 мкг/см)

* Эксперимент для проверки методики измерений магнитных полей на разной глубине расположения зондов внутри сборки относительно анодного электрода.

рок с пространственным профилированием массы из различных веществ.

Цели работы были следующие: определение величины интенсивности производства плазмы для веществ, нанесенных на проволоки (или волокна) цилиндрических сборок;

изучение проникновения плазмы с магнитным полем внутрь цилиндрических проволочных сборок в зависимости от пространственного профилирования линейной массы;

изучение влияние интенсивности плазмообра-зования на динамику имплозии цилиндрических проволочных сборок.

2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Эксперименты с квазисферическими сборками тесно связаны с профилированием массы вдоль поверхности проволок или волокон [3]. Например, чтобы создать неоднородное распределение массы по полоидальному углу т(9) вдоль проволоки, можно либо плавно менять ее диаметр методом травления, либо напылять на поверхность проволоки нужное вещество с требуемой массой.

В данной работе мы применяли второй способ — напыление на поверхность проволок сборки различных веществ (алюминий, висмут, золото). Подробнее методика напыления представлена в работе [3]. Вместо проволок могли использоваться вещества с малым атомным номером — пластиковые моноволокна (капрон), на которые также производилось напыление вышеуказанных проводящих материалов. Различные варианты проволочных и металлизированных волоконных сборок с профилированием массы представлены в таблице. Контроль однородности

нанесенного слоя, его толщины и размера области напыления вдоль длины проволок осуществлялся электронным микроскопом типа РЭММА-202 со спектрографом-анализатором на кристалле ЫЕ

Измерения азимутального магнитного поля в плазме проволочной сборки проводились при помощи техники абсолютно калиброванных магнитных зондов, конструкция которых подробно описана в работах [6, 11, 12]. Зонды располагались на разных радиусах внутри проволочной сборки — (0.5—0.9)Д) и на разной глубине относительно анодного электрода Ак = 2—8.5 мм, — начальный радиус сборки. Магнитные зонды измеряли производную индукции азимутального магнитного поля на заданных радиусах. Ток 1р, протекающий внутри радиуса, рассчитывался путем численного интегрирования сигнала с петли зонда, расположенной на данном радиусе в предположении однородного распределения магнитного поля по азимуту. Интегрирование сигнала с зонда проводилось до момента пробоя на него разрядного напряжения. Точность измерения магнитного поля в плазме с учетом погрешности калибровки (~5%) была не хуже 20%. Положение зондов относительно участков с напылением контролировалось по фотографиям проволочной сборки, размещенной в концентраторе установки.

На рис. 1а показана проволочная сборка, установленная в межэлектродном зазоре установки, с напылением висмута на полную длину проволок, а на рис. 1б — проволочная сборка с профилированной массой в центральной части длины проволок. На этом же рисунке представлена зависимость интегрального блеска проволок Ь (в отн. ед.) вдоль их длины. Методика интегрального блеска

анод зонд № 1 зонд № 2

0 0.5

катод

1.5 2.0 X, см

1 |

I

Ьшах/Ьшт ~ 1.2

ч область напыления В1

(а)

0 20 40 60 80 100

ь

анод

зонд № 1 зонд № 2

В 0.8

1шах/1шш ~ 4.5

область без напыления

(б)

область напыления В1

0 0.5 катод

1.5 2.0 0 20 40 60 80 100 X, см Ь

Рис. 1. Изображения многопроволочных сборок с профилированием массы вдоль длины проволок. Диаметр сборок 20 мм, высота 15 мм. Штриховыми прямоугольниками обозначены области определения интегрального блеска. Справа на рисунках представлена зависимость интегрального блеска проволок вдоль их длины (Ь в отсчетах от 0—255 полутонового изображения). а) — для сборки с толщиной напыления висмута ~1 мкм по всей длине проволок (выстрел № 4687); б) — для сборки с толщиной напыления висмута ~0.73 мкм в середине длины проволок (выстрел № 4872).

основана на измерении различии отражения света от поверхности проволок (волокон) без покрытия и со слоем напыленного вещества. Эта зависимость позволяет визуализировать размеры области напыления вдоль длины проволок и использовать для точного позиционирования зондов относительно области с напылением. В случае напыления висмута на полную длину проволок/волокон (см. рис. 1а) неоднородность блеска вдоль длины проволоки (/шах//ш;п ~ 1.2) была не хуже 20%. В случае напыления слоя висмута только в средней части проволок в сборке перепад по блеску составлял существенную величину /шах//ш;п ~ 4.5. Область напыления Ак в середине длины проволок сборок составила примерно 4 мм вверх и вниз, в этой области интегральный блеск постоянен и максимален. Существует

переходная область от напыленной части проволоки к ненапыленной части проволоки, которая составляет около 1—1.5 мм вдоль проволок. В этой переходной области наблюдается уменьшение интегрального блеска от максимума до минимального значения (см. рис. 1б).

Также в наших экспериментах использовались вольфрамовые проволоки, покрытые золотом. Такая проволочная сборка состояла из 30 вольфрамовых проволок диаметром 10 мкм, покрытых золотом толщиной 0.082 мкм.

Полный ток I мог измеряться 8-петельным датчиком тока и магнитным зондом, расположенным вне проволочной сборки на радиусе 20 мм. Ниже в каждом конкретном случае расположение магнитных зондов внутри проволочной сборки будет специально оговорено в тексте.

Рис. 2. Выстрел № 4921. Провол

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