^ ДИНАМИКА
ПЛАЗМЫ
УДК 533.952
ДИНАМИКА ГИБРИДНЫХ X-ПИНЧЕЙ
© 2015 г. Т. А. Шелковенко, И. Н. Тиликин, Г. В. Иваненков, В. Степниевски*, А. Р. Мингалеев, В. М. Романова, А. В. Агафонов, А. Д. Кахилл**, К. Л. Хойт**, П. А. Гордан**, Д. А. Хаммер**, С. А. Пикуз
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия * Институт физики плазмы и лазерного микросинтеза
им. С. Калиского, Варшава, Польша ** Корнельский университет, Итака, Нью-Йорк, США e-mail: pikuz@mail.ru Поступила в редакцию 22.05.2014 г.
Проведены экспериментальные и численные исследования динамики новой разновидности пинче-вых объектов — гибридных X-пинчей. Начальная конфигурация гибридных X-пинчей (ГХП) представляет собой сильноточный диод с коническими вольфрамовыми электродами, разделенные зазором порядка 1—3 мм, соединенным проволочкой диаметром 20—100 мкм. В предыдущих работах было показано, что при более простой, по сравнению со стандартным Х-пинчем, начальной конфигурации, в ГХП также образуется горячая точка с высокими параметрами плазмы. В настоящее время все детали динамики ГХП не изучены, но основные факторы, влияющие на их формирование, были выяснены как в экспериментах, так и в МГД-расчетах. Экспериментально и теоретически исследовано формирование специфического профиля давления приэлектродной плазмы, происходящее после взрыва проволочки. Показано, что его воздействие на расширяющуюся плазму проволочки является важным фактором, позволяющим объединить стандартный и гибридный X-пинчи в общий класс нагрузок импульсных устройств. Также установлена практическая идентичность финальных процессов формирования и параметров горячих точек стандартных и гибридных Х-пин-чей.
DOI: 10.7868/S0367292115010035
1. ВВЕДЕНИЕ
Гибридные Х-пинчи, начальная конфигурация которых представляет собой сильноточный диод с коническими вольфрамовыми электродами с зазором порядка 1—3 мм, соединенными проволочкой диаметром 20—100 мкм, в настоящее время популярны в качестве точечного источника мягкого рентгеновского излучения для проекционной рентгенографии и других применений [1— 5]. На рис. 1а приведена схема ГХП, а на рис. 1б приведено размещение ГХП в сильноточном диоде в качестве источника зондирующего излучения.
Следует отметить, что в данной конструкции в центральной части конусов просверлены сквозные каналы, которые играют важную роль в формировании ГХП, что будет показано в разделе 4. Для исследования особенностей работы ГХП и изучения параметров горячей точки ГХП как источника мягкого рентгеновского излучения для проекционной рентгенографии и других применений эксперименты проводились на четырех установках с амплитудой тока от 200 до 1000 кА и длительностью фронта 45 до 200 нс [2]. В проведенных экспериментах показано, что при значи-
тельно более простой конфигурации гибридные Х-пинчи на установках с коротким фронтом импульса тока (50—100 нс) не уступают стандартным Х-пинчам по мощности генерируемого мягкого рентгеновского излучения и превосходят их по стабильности формирования единичной горячей точки при значительно более низком уровне жесткого рентгеновского излучения. ГХП является работоспособным устройством, конструкция которого позволяет существенно упростить изготовление нагрузки, что, в свою очередь, расширяет возможности по применению Х-пинчей в качестве источника МРИ [3—6]. На основе излучения горячей точки ГХП в настоящее время развиваются такие методы диагностики короткоживущих плазменных объектов как рентгеновская абсорбционная спектроскопия [3, 4] и рентгеновское томсоновское рассеяние [5], которые были возможны только при применении лазерной плазмы.
При этом процесс формирования ГХП пока еще детально не изучен. Проведенные в последнее время эксперименты дали некоторое представление о динамике ГХП, которое мы попытаемся осветить в данной работе. Еще до начала экспериментов с ГХП было ясно, что в данной
(а)
(б)
импульс поджига
исследуемыи ГХП
100
15 0
м
о н -100
-200
(в)
100 200 300
400 500 время, нс
УФ-излучение
сЕЬ_£1
I I
Н1 т
Рис. 1. ВнешниИ вид ГХП и ГХП в разрезе (а); схема эксперимента по проекционной рентгенографии Х-пинчей в цепи обратного тока с ГХП в качестве основной нагрузки (б); осциллограммы токов: 1 — через основной ГХП в диоде, 2 — исследуемый ГХП в цепи обратного тока (в).
геометрии должна большую роль играть приэлек-тродная плазма. Приэлектродная плазма возникает во всех случаях существования высоковольтного диода, но в стандартных Z- и Х-пинчах или любых других проволочных нагрузках межэлектродный зазор составляет от одного до нескольких десятков сантиметров, а потому распространяющаяся со скоростью примерно (1—5) х 106 см/с [7] приэлектродная плазма не играет значительной роли. Противоположно этому в ГХП межэлектродный зазор выбирался наименьшим возможным (0.5— 3 мм) для каждого из использованных сильноточных генераторов, что позволяло свести к минимуму вероятность образования вторичных горячих точек. В таких условиях повышалась роль образующейся приэлектродной плазмы, которая могла теперь стать одним из определяющих факторов формирования рабочей области ГХП. Результаты исследований роли приэлектродной плазмы в формировании ГХП, как экспериментальных, так и в МГД- расчетах, представлены в данной работе.
к осциллографу
Рис. 2. Генератор тока Мюго-4 с коммутатором на основе поверхностного разряда, инициируемого УФ-излучением: 1 — керамические конденсаторы К15-4 (4 х 2200 пФ, 30 кВ), 2 — экран, 3 — коммутатор, 4 — нагрузка, 5 — коаксиальный шунт.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
И ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДИАГНОСТИК
Эксперименты по исследованию начальной стадии взрыва проволочки в гибридных Х-пин-чах проводились на установке ГВП (8 кА, 340 нс) параллельно с экспериментами на установках МИНИ-2 (100-130 кА, 130 нс), БИН (250 кА, 100 нс) и ХР (400 кА, 100 нс).
Для лучшего соответствия наших экспериментов начальной стадии тока больших генераторов нами был спроектирован и изготовлен низкоиндуктивный генератор тока Микро-4 на основе высоковольтных керамических конденсаторов К15-4 (рис. 2). Известно, что коммутация тока в высоковольтных низкоиндуктивных электрических цепях представляет весьма сложную задачу [8]. Проведенные измерения показали, что разряд в газе (в эксперименте использовался воздух при атмосферном давлении) вносит в цепь тока существенную индуктивность. Поэтому для коммутации тока был использован вакуумный оптический ключ с поверхностным разрядом, инициируемым ультрафиолетовым излучением.
Источником УФ-излучения служил разряд, возникающий при поверхностном пробое изолятора под действием высоковольтного электрического импульса от блока поджига ГОИ (генератор однократного высоковольтного импульса). Генератор посредством проводников минимальной длины монтировался непосредственно в вакуумной камере и подключался вместо генератора ГВП к нагрузочному узлу с установленными в нем
1
0
ток, кА 6
50
(а)
100 время, нс
150
dI/dt, А/нс п 150
100
50
0
-50 - -100
200
ток, кА 6
200
400 время, нс
600
dI/dt, А/нс -\ 30
20
10
0
- -10 - -20 - -30 40
800
Рис. 3. Осциллограммы токов — 1, осциллограммы сигнала с петли, помещенной в разрядном контуре в режиме взрывающейся проволочки — 2 и производная тока, полученная численным дифференцированием сигнала тока — 3 для генераторов Микро-4 (а) и ГВП (б) с медной проволочкой диаметром 25 мкм и длиной 2 мм.
0
0
коническими электродами. Ток измерялся широкополосным коаксиальным шунтом, сделанным на основе фольги из нержавеющей стали.
На рис. 3a показаны сигналы с шунта и петли, для имерения производной тока при нагрузке из медной проволоки диаметром 25 мкм. При зарядном напряжении конденсаторов 18 кВ величина разрядного тока превышала 5 кА, а скорость нарастания тока достигала 100 А/нс, что более чем в четыре раза превышает скорость нарастания тока в генераторе ГВП (рис. 3б). При взрыве проволочки форма производной тока, полученная численным дифференцированием сигнала тока, совпадает с сигналом, полученным с петли, расположенной внутри разрядного контура (рис. 3a). Индуктивность разрядного контура, определенная из периода колебаний тока, составила 107 нГ. Следует заметить сверхминиатюрность генератора Микро-4. Он имеет размеры 20 х 15 х 10 см и вес 1 кг.
Таким образом, скорость нарастания тока была увеличена в четыре раза, что более соответствует начальной стадии импульса тока на больших генераторах.
В экспериментах на установке МИНИ-2, исследовалась динамика ГХП условиях длинного фронта тока, когда условие образования горячей точки X-пинчей (dI/dt > 1 кА/нс) не выполняется, но величина тока и его производной вплотную приближаются к данной величине. Генератор МИНИ-2 с выходным током 100—130 кА, напряжением 36 кВ и фронтом импульса ~130 нс является модификацией генератора МИНИ [9], работающей на двух конденсаторах.
В исследованиях динамики ГХП на генераторах Микро-4, ГВП и МИНИ-2 в качестве основной диагностики использовалась оптическая диа-
гностическая система с лазером LS-2151, применяемая ранее для исследования взрыва проволочек [10]. Данная система имеет два оптических теневых канала и один шлирен-канал, дающие временное разрешение 70 пс, и пространственное 20 мкм. Для исследования излучения плазмы ГХП во времени (излучение проволочки и приэлектродной плазмы) в УФ-диапазоне на установке МИНИ-2 использовалась четырехкад-ровая камера-обскура с микроканальной пластиной (МКП), обеспечивающая временное разрешение 5 нс и пространственное разрешение 200 мкм. Энергия отсечки в данных экспериментах была порядка 10 эВ. Такая же система с энергией отсечки 70 эВ применяется на установке COBRA [2].
На установках БИН и ХР применялись как лазерные диагностики, так и проекционная рентгенография ГХП [11]. В данном случае исследуемый ГХП помещался в цепи обратного тока, а источником зондирующего излучения служила горячая точка ГХП, являющегося основной нагрузкой высоковольтного диода. На рис. 1б,в приведены схема эксперимента и осциллограммы токов через пинчи для установки БИН. Из рисунка видно, что ток через исследуемый ГХП составлял 100-120 кА при фронте ток
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.