ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 5, с. 395-408
ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.082.7.76
ВЛИЯНИЕ НЕСИНХРОННОСТИ СРАБАТЫВАНИЯ МОДУЛЕЙ УСТАНОВКИ АНГАРА-5-1 НА ПРОНИКНОВЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ВНУТРЬ ПРОВОЛОЧНОЙ СБОРКИ
© 2014 г. К. Н. Митрофанов, В. В. Александров, Е. В. Грабовский, А. Н. Грицук, Г. М. Олейник, И. Н. Фролов, Я. Н. Лаухин, А. А. Самохин
ГНЦ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Москва, Россия e-mail: mitrofan@triniti.ru, mitrkn@inbox.ru Поступила в редакцию 14.09.2013 г.
Изучено влияние несинхронности срабатывания модулей установки Ангара-5-1 на симметрию сжатия плазмы проволочной сборки в режиме /-пинча. Показано, что увеличение значения среднеквадратичного разброса старта модулей приводит к возникновению заметной азимутальной несимметрии проникновения магнитного поля внутрь проволочной сборки и, как следствие, увеличению длительности импульса мягкого рентгеновского излучения, уменьшению его мощности и смещению /-пинча относительно оси сборки. Определены необходимые условия для осесимметричного сжатия пинча. Экспериментальные данные о величине и азимутальном распределении тока (магнитного поля) внутри проволочной сборки были получены из измерений магнитными зондами. Положение /-пинча относительно оси проволочной сборки определялось по двумерным рентгеновским изображениям и по изображениям с радиальной оптической развертки
Б01: 10.7868/80367292114050060
1. ВВЕДЕНИЕ
Физика сжатия многопроволочных сборок, лежащая в основе создания перспективных источников мягкого рентгеновского излучения (МРИ, Н\ > 100 эВ) для различных схем инерциаль-ного термоядерного синтеза (ИТС), привлекает интерес исследователей во многих лабораториях мира [1—8]. В настоящее время в стадии проектирования находится новое поколение электрофизических установок мультимегаамперного класса для ИТС: Байкал, Эмир (Россия) и Х-1 (США) с уровнем тока 50—60 МА и временем нарастания ~100—800 нс [9— 14]. Поэтому актуальность данных о симметрии сжатия плазмы возрастает, особенно при параллельном сложении разрядных токов отдельных модулей установок в области нагрузки. Многомодульная компоновка имеющихся и вновь создаваемых электрофизических установок с параллельным сложением токов подразумевает синхронную работу всех модулей. Неконтролируемый во времени старт тока отдельных модулей приводит к значительной потере энергии электромагнитных импульсов в передающих линиях, а также вызывает пространственную неоднородность протекания тока в нагрузке, в нашем случае по проволочной сборке.
Проведенные в последние годы исследования показали существенную особенность имплозии проволочных сборок на сильноточных установках, состоящую в том, что плазмообразование
происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени, которое сравнимо с характерным временем нарастания разрядного тока [15—18]. Пространственная неоднородность протекания тока в нагрузке обуславливает различие в интенсивности производства плазмы с отдельных проволок
сборки (т.к. т(0 ~ !(?)2), а также несинхронность окончания процесса плазмообразования в сборке. Упомянутые эффекты могут оказывать заметное влияние на одновременность и симметрию сжатия пинча относительно оси сборки. Неодновременное окончание плазмообразования при имплозии цилиндрических проволочных сборок наблюдалась экспериментально в ряде работ [18— 21]. Влияние неоднородности протекания разрядного тока по проволочной сборке, связанной с разбросом старта тока отдельных модулей установки, на физику сжатия пинча проволочных сборок остается в настоящее время недостаточно изученной для реализации управляемого сжатия /-пинча.
Цели работы состояли в изучении влияния синхронизации модулей установки Ангара-5-1 на:
пространственную неоднородность распределения тока в проволочной сборке;
неодновременность проникновения плазмы с вмороженным магнитным полем при имплозии проволочных сборок;
Рис. 1. Расположение магнитных зондов внутри многопроволочной сборки: 1 — проволочная сборка; 2 — три магнитных зонда внутри сборки, расположенные на одном радиусе под углом 120° друг к другу; 3 — юс-тировочный диск для задания определенных позиций магнитных зондов внутри проволочной сборки.
величину смещения Z-пинча относительно оси проволочной сборки;
длительность и мощность импульса рентгеновского излучения.
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Магнитозондовый метод измерения магнитного поля многопроволочной сборки
Конструкция и характеристики магнитных зондов для измерения азимутальной компоненты магнитного поля подробно представлены в работах [22—26]. Поэтому остановимся лишь на основных характеристиках магнитозондовой методики. Каждый магнитный зонд состоял из двух миниатюрных петель диаметром ~300 мкм, намотанных по часовой и против часовой стрелки. Такая конструкция зонда обеспечивала получение сигналов разной полярности, что служило доказательством их происхождения за счет изменения магнитного поля в области расположения зонда. Каждая петля измеряет скорость изменения азимутального магнитного поля (дBф/дO в точке ее расположения. Временное разрешение зонда с учетом частотной характеристики измерительного тракта не превышало 1.5 нс. Точность измерения величины индукции магнитного поля в плазме с учетом погрешности калибровки (~5%) была не хуже 15—20%. Зонды вкручивались в определенные позиции с координатами (г, ф) в юстиро-вочный диск, который вставлялся в сборку со стороны анода, как показано на рис. 1. Юстиро-вочный диск позволяет расположить измерительные петли на заранее заданных радиусах внутри проволочной сборки с точностью не хуже 0.4 мм.
Зонды были заглублены на 3—6 мм внутрь проволочной сборки со стороны анодного электрода.
Применение абсолютно калиброванных магнитных зондов позволяет определять изменение во времени индукции магнитного поля в заданной точке пространства. При этом, предполагая симметрию радиального сжатия проволочной сборки относительно оси и зная значение магнитного поля в точке измерения (г, ф), можно определить величину тока, проникшего внутрь данного радиуса г. Величина тока, проникшего внутрь сборки до заданного радиуса г, характеризует радиальное распределение тока внутри сборки и определяет параметры ее имплозии. Однако, если в процессе имплозии плазма сжимается несимметрично по азимутальному углу ф, необходимо использовать большее число зондов. Разместить большее количество зондов зачастую не представляется возможным как из-за малых размеров проволочной сборки (в нашем случае г < 20 мм), так из-за возмущающего влияния зондов на свойства плазмы и характеристики магнитного поля.
Таким образом, в каждом эксперименте надо было определить условия, при которых процесс проникновения токовой плазмы внутрь проволочной сборки можно считать симметричным относительно оси сборки. При этом различие в величине тока, протекающего по проволокам, определялось путем сравнения величины азимутального магнитного поля вблизи сборки и внутри ее объема. Ниже в каждом случае будут отдельно оговорены позиции расположения магнитных зондов внутри и вне проволочной сборки.
2.2. Оптические и рентгеновские методы исследования сжатия плазмы проволочной сборки
Для исследования симметричности сжатия плазмы Z-пинча относительно оси проволочной сборки использовался ряд оптических и рентгеновских диагностик: щелевая оптическая развертка радиального сжатия плазмы (на базе СФ-ЭР-2), многокадровая рентгеновская камера (РЭОП) и интегральная по времени камера-обскура. Время экспозиции рентгеновских кадровых изображений плазмы было примерно 1—2 нс (для hv > 20 эВ). Пространственное разрешение камеры по объекту составляло около 100—200 мкм для энергии квантов в диапазоне 100—300 эВ. Применялась интегральная по времени камера-обскура с регистрацией излучения на фотопластины типа ВР-П (максимальное разрешение 1730 штрих/мм). Пространственное разрешение было около 100 мкм для квантов с энергией в том же диапазоне.
При проведении экспериментов использовался ряд стандартных диагностик: измерения полного тока через нагрузку проводились петлевым
Таблица 1. Характеристики проволочных сборок
№ выстрела Диаметр проволок, мкм Радиус сборки R0, мм/Высота сборки, мм Количество проволок Линейная масса сборки, мкг/см Синхронизация модулей ст, нс
3889 8 10/10 40 380 33
3874 57
3910 11
3899 5 80 320 31
датчиком тока с последующим численным интегрированием его сигнала, мощность PSXR импульса МРИ (hv > 100 эВ) на финальной стадии сжатия измерялась при помощи вакуумных рентгеновских диодов (ВРД-детекторов).
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В этой серии экспериментов изучалось влияние несинхронности срабатывания восьми модулей установки Анагара-5-1 на симметрию проникновения магнитного поля внутрь проволочной сборки. В качестве параметра, характеризующего несинхронность срабатывания модулей установки, был выбран среднеквадратичный разброс времени старта модулей а (англ. jitter):
ст =
А
N £ t
i = 1
■t)2
где t¡ — время старта /-го модуля установки, t — среднее время старта модулей, N — количество модулей в работе. В качестве времени старта модуля принималось время появления импульса напряжения в начале водяной передающей линии, измеряемое в каждом модуле установки [27]. Этот параметр не определяет однозначно симметричность сжатия сборки, но служит качественным критерием работы установки. Были построены соответствующие диаграммы времен tí и их среднее значение t . Сравнение времен tí и t позволило судить об опоздании или убегании вперед выбранного для рассмотрения модуля установки относительно остальных модулей. На этих же диаграммах показаны положения зондов относительно направления модулей.
3.1. Измерения азимутального магнитного поля вблизи проволочной сборки
Были проведены опыты, моделирующие несинхронность срабатывания модулей установки путем отключения от электрической цепи одного из модулей установки (в выстреле № 3889), а также с большим запаздыванием срабатывания одного из модулей (в выстреле № 3874). В этих экс-
периментах нагрузкой служили проволочные сборки с параметрами, представленными в та
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.