ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2015, том 41, № 4, с. 319-373
ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
Х-ПИНЧ. Часть I © 2015 г. С. А. Пикуз, Т. А. Шелковенко, Д. А. Хаммер*
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия *Корнельский университет, Итака, США e-mail: pikuz@mail.ru Поступила в редакцию 16.05.2014 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований Х-пинча, начиная с его изобретения и реализации в 1982 г. в Физическом институте им. П.Н. Лебедева в СССР и по настоящее время. Идея Х-пинча возникла в ходе экспериментов по новому в те годы направлению исследований по генерации высокотемпературной плотной плазмы в наносекундных Z-пинчах. Целью предложения была локализация области существования плазмы в пространстве и стабилизация момента ее образования, что было достигнуто путем использования нагрузки сильноточного генератора тока в виде скрещенных проволочек. Получившийся в результате плазменный объект оказался столь интересным, что в физике плазмы появилось новое научное направление, исследования по которому ведутся в настоящее время во многих лабораториях мира. Само название Х-пинча стало общепризнанным, и секции, посвященные его исследованиям, неизменно присутствуют на плазменных конференциях. Х-пинч оказался не только интереснейшим объектом исследований, но и уникальным источником рентгеновского излучения с экстремальными параметрами. Использование Х-пинча для проекционной рентгенографии физических объектов с высокой плотностью энергии уже принесло много новых экспериментальных данных. В ряде случаев кардинально изменились представления о процессах, происходящих в веществе при быстром вложении энергии. Обзор состоит из двух частей. В представляемой первой части изложена краткая история создания и исследования Х-пинча, описаны диагностические методики и аппаратура, созданная в ходе этих исследований, и приведены основные итоги исследований физических процессов в Х-пинче. Вторая часть будет посвящена результатам детальным исследований горячей точки Х-пинча — области, где достигаются наиболее высокие параметры плазмы, которая является источником рентгеновского излучения с уникальными параметрами. Там же приводятся некоторые результаты моделирования Х-пинча.
DOI: 10.7868/80367292115040058
СОДЕРЖАНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Основные конфигурации Х-пинчей
2.2. Генераторы тока для Х-пинчей
3. СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ Х-ПИНЧЕЙ
3.1. Оптическая диагностика
3.2. Рентгеноспектральные измерения 3. 2.1. Рентгеновский диапазон
3.2.2. Спектральное разложение рентгеновского излучения
3.2.3. Кристаллические спектрографы
3.2.4. Спектрографы с пропускающими решетками
3.2.5. Спектрографы со скрещенной дисперсией
3.3. Методы получения рентгеновских изображений
3.3.1. Пассивные методы (регистрация собственного излучения)
3.3.2. Рентгеновские спектрографы с пространственным разрешением
3.3.3. Активные методы (рентгеновская радиография)
3.4. Регистрация рентгеновского излучения с временным разрешением
3.4.1. Измерения с помощью рентгеновских фотодиодов
3.4.2. Измерения с помощью рентгеновского хронографа
3.5. Регистрация рентгеновских изображений 4. СТРУКТУРА И ДИНАМИКА Х-ПИНЧА
4.1. Результаты первых исследований, основные характеристики Х-пинча
4.2. Рентгенография Х-пинча
4.3. Сценарий процессов в Х-пинче
4.3.1. Начальная стадия
4.3.2. Формирование перетяжки
4.3.3. Динамика перетяжки. Каскадирование
4.3.4. Формирование горячей точки. Радиационный взрыв
4.3.5. Разрыв перетяжки и образование минидиода
5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Исследования высокотемпературной плазмы связаны, прежде всего, с проблемой управляемого термоядерного синтеза (УТС) [1]. Одним из наиболее простых способов нагрева плазмы является сжатие вещества под действием магнитного поля протекающего через вещество тока, называемое пинч-эффектом. Именно этот способ (микросекундный Z-пинч) был использован в первых работах по УТС. Однако непреодолимые трудности, связанные с развитием неустойчивостей, привели к тому, что интерес к Z-пинчам упал. Прогресс в развитии мощной импульсной нано-секундной техники в 70-х годах прошлого столетия предназначенной, первоначально, для получения сильноточных электронных пучков в простой диодной схеме с взрывоэмиссионным катодом [2], привел к новому всплеску исследований Z-пинчей, получивших определение "быстрые Z-пинчи".
Идея использования таких генераторов с нагрузкой диода в виде тонкого проводника привела к созданию нового класса источников плотной высокотемпературной плазмы (под таким термином обычно имеется в виду плазма с температурой большей 100 эВ и с плотностью большей 1017— 1018 см-3). Сам по себе взрыв проволочек исследовался и до этого, правда, с другими целями [2-4]. Однако параметры имеющихся в то время установок не позволяли достигнуть указанного выше состояния вещества. Действительно, для достижения равновесия между давлением магнитного поля тока и гидродинамическим давлением плазмы необходимо выполнение условия Беннета [5]
I2 = 8лц0-1ДВД,
где I — ток пинча, N — число ионов на единицу длины, кв — постоянная Больцмана и Т0 — температура плазмы. При низких значениях начальной плотности плазмы, как это было на заре термоядерных исследований [1], это условие легко выполнялось, однако для микросекундных генераторов тока возникновение и рост плазменных неустойчивостей не позволили использовать простую идею генерации горячей плазмы с помощью сжатия ее магнитным полем ^-пинчи) для осуществления термоядерного синтеза.
Взрывающаяся проволочка создает первоначально очень плотную нагрузку, и разлет вещества не может быть остановлен магнитным полем медленно нарастающего тока. Поэтому только
наносекундные (t < 1 мкс) генераторы с амплитудой тока большей 100 кА позволили создать условия для генерации высокотемпературной плазмы [6, 7]. Позже появились нагрузки, состоящие из нескольких параллельных проволочек [8, 9], что существенно улучшало согласование сильноточных низкоимпедансных генераторов с нагрузкой и увеличивало эффективность передачи энергии в плазму [10—12]. Коэффициент преобразования энергии "от розетки" в коротковолновое излучение при этом возрастал. Многопроволочная схема по своей идее близка к схемам создания нагрузки сильноточного диода при импульсном напуске газа [13, 14] или при заполнении диода лазерной плазмой непосредственно перед электрическим разрядом [15, 16]. Вместе с тем, как показали исследования, имеются кардинальные различия между многопроволочными сборками и "непроволочными" методами создания нагрузок сильноточных диодов [17, 18]. Необходимо отметить еще один интересный способ создания высокотемпературной плазмы в наносекундном разряде, а именно в разряде через диэлектрический канал или капилляр [19], на основе которого удалось разработать малогабаритные источники ВУФ-излучения, в том числе когерентного [20]. Следует также упомянуть два важных примера Z-пинчей, длительность электрического разряда в которых лежит в микросекундном диапазоне, и в которых, тем не менее, достигнуты высокие плазменные параметры (киловольтные температуры и плотности, превышающие 1020 см-3). Имеются в виду плазменный фокус, исследования которого активно ведутся по настоящее время [21, 22], и вакуумная искра [23-25], в которой было обнаружено интересное и важное плазменное явление, именуемое "горячей точкой". Образование "горячей точки", несмотря на микросекундную длительность разряда, связано с наносекунд-ными процессами в плазме.
Резкий всплеск интереса к быстрым пинчам, наблюдаемый в последние 15 лет был связан с грандиозными успехами экспериментов по сжатию сверхмощным импульсом тока цилиндрической нагрузки, состоящей из нескольких сотен тонких проводников [26, 27]. В частности, в лаборатории Сандия (Sandia National Laboratories, Albuquerque, США) на установке Z (20 МА, 100 нс) и ее модификации ZR удалось получить импульсы рентгеновского излучения с рекордными параметрами (энергия излучения в диапазоне длин волн короче 12 А более 400 кДж, мощность излучения до 200 ТВт) с высокой эффективностью преобразования энергии электрического разряда.
В свою очередь возродился интерес и к исследованиям взрыва одиночных проводников, в том числе при сравнительно небольших токах разряда (до 10 кА), в наносекундном диапазоне времени [28-30]. Связано это, прежде всего, с необходи-
Таблица 1. Эксперименты по Х-пинчам в лабораториях мира
Лаборатория,страна Установка Макс. ток, кА Длит. имп. (фр*), нс Средн. dI/dt Тип генератора тока Ссылка
ФИАН, СССР Дон 150 80 5 Форм. лин. 1982 [9, 34]
ФИАН, Россия БИН 270 150 3 Форм. лин. 1994 [42-44]
ФИАН, Россия МИНИ 250 200* 1.25 Конд. бат. 2010 [45]
Cornell University, США LION 470 80 Форм. лин. 1989 [35, 36]
Cornell University, США XP 450 100 10 Форм. лин. 1994 [46-48]
Cornell University, США COBRA 1000 100 10 Форм. лин. 2006 [49, 50]
Naval Res.Lab., США Gamble II 1000 100* 10 Форм. лин. 1991 [35]
Maxweel Lab. США Blsckjack-5 3500 150 20 Форм. лин. 1990 [51]
Imperial College, Великобритания 320 1200 0.25 Конд. бат. 2000 [52]
Catholic University, Чили Gepopu 300 150 2 Форм. лин. 2000 [53]
Catholic University, Чили Lampudken 400 250 1.3 Форм. лин. 2002 [54]
Univ. of Nevada, США ZEBRA 1000 100 10 Форм. лин. 2003 [55, 56]
Imperial College, Великобритания 40 40 1 Форм. лин. 2003 [57]
ИСЭ СОАН, Россия 120 250 1 Конд. бат. 2004 [58, 59]
Ecole Polytechnique, Франция 200 200 1 Конд. бат. 2004 [60, 61]
Univ. Calif. San Diego, США 80 40 2 Форм. лин. 2005 [62]
Imperial College, Великобритания IMP 160 80 2 Форм. лин. 2006 [63]
Florida A&M Univ., США 500 1300 0.4 Конд. бат. 2008 [64, 65]
КИАЭ, Россия S300 2300 180* 13 Форм. лин 2008 [66]
ИСЭ СОАН, Россия XPG-1 250 200* 1.25 Конд. бат. 2008 [67]
Tsinghua Univ., Китай PPG-1 400 100* 4 Форм. лин. 2008 [68]
Inst. Fluin Physics, Китай YANG 800 150* 5 Форм. лин 2010 [69]
Tsinghua Univ., Китай QiangGuang 1400 60* 21 Форм. лин. 2010 [70]
Tsinghua Univ., Китай 100 100* 1 LTD 2011 [71]
Tsinghua Univ., Китай 100 60* 1.3 Форм. лин. 2012 [72]
Sandia Nat. Lab. США SATURN 6000 60* 100 Форм. ли
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.