ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 2, с. 160-171
^ ДИНАМИКА
ПЛАЗМЫ
УДК 533.952,533.9.082.16
ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТРОПИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ СИЛЬНОТОЧНОГО Z-ПИНЧА, ПОЛУЧАЕМОГО ПРИ СЖАТИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ МНОГОПРОВОЛОЧНЫХ
ВОЛЬФРАМОВЫХ СБОРОК
© 2014 г. В. В. Александров, Г. С. Волков, Е. В. Грабовский, А. Н. Грицук, Н. И. Лахтюшко, С. Ф. Медовщиков, Г. М. Олейник, Е. В. Светлов
ГНЦ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Москва, Россия,
e-mail: volkov@triniti.ru Поступила в редакцию 13.06.2013 г.
Окончательный вариант получен 09.09.2013 г.
Приведены результаты измерений анизотропии энергетических потерь сильноточного многопроволочного Z-пинча, проведенных на установке "Ангара-5-1" при токах в нагрузку до 4 МА. Измерения энергетических потерь проводились в направлениях перпендикулярно и вдоль оси пинча, с направления анодного электрода. В качестве основных методик измерения использовались термопарные калориметры без временного разрешения, наносекундные вакуумные рентгеновские фотодиоды за различными фильтрами и радиационный фольговый калориметр с временным разрешением 2 мкс. Для различных геометрий лайнерных сборок и геометрий подводящих высоковольтных электродов проведены измерения азимутальной анизотропии энергетических потерь. Наличие сильной начальной азимутальной неоднородности распределения массы проволочек (секционные сборки), а также использование конусных электродов вместо плоских не приводят к азимутальной неоднородности полных энергетических потерь. Для геометрии цилиндрических многопроволочных сборок проведено сравнение энергетических потерь в боковом направлении и по направлению вдоль оси пинча. По данным измерений детекторами c вакуумным рентгеновским диодом и калориметром, выход излучения в единицу телесного угла в направлении вдоль оси пинча в 2—3 раза меньше, чем выход излучения в направлении перпендикулярно его оси. В осевом направлении плотность потока энергии разлетающейся плазмы превышает плотность потока энергии излучения в 2—3 раза. Измеренный выход излучения в направлении перпендикулярно оси пинча составил от 2.5 до 5 кДж/ср за импульс, а в направлении вдоль оси от 1 до 2 кДж/ср. В пределах погрешности измерений показания методики вакуумного рентгеновского диода и радиационного калориметра хорошо соответствуют друг другу. Проведенные измерения показали, что энергия, переносимая разлетающейся плазмой в единицу телесного угла в направлении перпендикулярном оси пинча, не превышает 10% от энергии мягкого рентгеновского излучения. Как следует из структуры интегрального по времени изображения камеры-обскуры и временных профилей радиальных и аксиальных детекторов с вакуумным рентгеновским диодом, излучение центральной, более высокотемпературной части пинча в радиальном направлении частично заперто окружающей ее относительно малоплотной плазмой "гало". В осевом направлении спектр излучения можно представить как простое наложение излучения центральной плотной высокотемпературной части пинча и излучения менее плотной и горячей плазмы периферии.
DOI: 10.7868/S0367292114020012
1. ВВЕДЕНИЕ
На современных мощных импульсных генераторах в экспериментах с многопроволочными Z-пинчами длительности импульсов мягкого рентгеновского излучения (МРИ) составляют 4—10 нс при мощности излучения до 200 ТВт [1, 2]. Образующийся в результате сжатия многопроволочной цилиндрической сборки пинч представляет из себя, в квантах с энергией 100—400 эВ, высокотемпературное плотное плазменное образование с отношением длины к поперечному размеру ~3—5. Проведение экспериментов по взаимодействию
мощных потоков МРИ с веществом (мишенью), с мощным Z-пинчем в качестве источника излучения, предполагает использование различных геометрий расположения облучаемых мишеней относительно источника излучения. Оптимальное расположение мишени относительно источника излучения определяется угловыми и спектральными характеристиками излучения пинча.
В экспериментах на установке "Ангара-5-1" с вольфрамовыми многопроволочными сборками с погонными массами 200—400 мкг/см при токе в нагрузку ~2.5—3.5 МА источник излучения
(пинч) представляет из себя цилиндр диаметром 2—5 мм и длиной 1.5 см. Оценочная мощность плотности потока излучения с поверхности пин-ча составляет 3 ТВт/см2, а спектр излучения плазмы не описывается моделью "чернотельного" источника [3]. Для получения плотностей потока излучения на мишень на уровне 1 ТВт/см2 необходимо располагать мишень на расстояниях менее 1 см от источника излучения. Достаточно просто расположить мишень вблизи пинча по направлению его оси. При этом необходимо учитывать возможность воздействия на мишень осевых плазменных потоков распадающегося пинча. Достаточно близкое расположение мишени сбоку по отношению к пинчу требует использования специальных геометрий 2-пинчевых нагрузок Проведение непосредственных измерений потоков излучения на расстояниях порядка 1 см от пинча представляет существенные трудности и, по-видимому, не реализуемо на практике. Измерения потоков излучения на достаточно большом расстоянии в узком телесном угле и в различных направлениях относительно оси пинча позволяет, из сопоставления с детальными расчетами динамики сжатия пинча с учетом потерь на излучение, построить адекватную модель источника излучения. Используя модель источника, можно рассчитать потоки излучения на мишень, расположенную в непосредственной близости от нагрузки.
Исследование анизотропии энергетических потерь пинча в мягком рентгеновском излучении позволяет получать информацию о физике сжатия пинча, а также корректно оценивать полную мощность излучения и полные радиационные потери [4].
В данных экспериментах для различных геометрий лайнерных сборок и подводящих электродов проведены измерения потоков излучения и плазмы в направлениях перпендикулярно и вдоль оси пинча.
2. УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Измерение потоков энергии излучения и плазмы проводилось на установке "Ангара-5-1" (ток до 4 МА, напряжение ~1 МВ, длительность импульса напряжения 140 нс) [5]. В качестве нагруз-
ки генератора использовались различные много-провол очные сборки: цилиндрические сборки с плоскими катодными и анодными электродами; укороченные цилиндрические сборки с конусными катодным и анодным электродами; трехкас-кадные сборки с внешними многопроволочными
секторами. Измерения энергии излучения пинча и потоков энергии плазмы проводились как в направлении перпендикулярном его оси, так и в осевом направлении.
4— 1 \ / ( (¿в 51 I 0-3 I Ъ,
I КГ* Н ) 135° V4
Рис. 1. Схема расположения диагностических методик: 1 — камера обскура, 2 — термопарные калориметры, 3 — ВРД с фильтрами, 4 — радиационный фольговый калориметр, 5 — пинч. Направления наблюдения — перпендикулярно оси пинча и вдоль оси под углом 7°.
Полные энергетические потери плазмы при импульсных процессах можно измерять термопарными калориметрами. При этом временное разрешение отсутствует, а вклад в показания калориметра вносят как потоки излучения, так и энергия, переносимая разлетающейся плазмой. Резистивные тонкопленочные болометры с нано-секундным временным разрешением позволяют измерять мощность излучения, но не позволяют измерять с временным разрешением энергию плазменных потоков, из-за шунтирующего влияния плазмы на измеряемое сопротивление фольгового болометра. Радиационные фольговые калориметры (РФК) по своим характеристикам занимают промежуточное положение между термопарными калориметрами и тонкопленочными резистивными болометрами. Их временное разрешение (~0.1—1 мкс), как правило, недостаточно, чтобы измерять мощность излучения в быстрых импульсных плазменных процессах. Однако при достаточно большом расстоянии от источника излучения до чувствительного приемного элемента РФК даже временное разрешение ~1— 2 мкс позволяет зарегистрировать энергию излучения отдельно от энергии плазменных потоков прилетающей плазмы.
В данных экспериментах выход энергии в единицу телесного угла в радиальном направлении измерялся двумя термопарными калориметрами без фильтров и РФК. Первый калориметр располагался на расстоянии 3.5 м от пинча. Второй калориметр и радиационный фольговый калориметр [6] располагались на расстоянии Ь = 2.07 м
30 25 20 15 10 5
0
_ 40
- / "" (б)
_ 30
20
- 10
1 У 1 1
200 400 600 800 1000 0
500 1000 1500 2000
Е, эВ
200 400 600 800 1000
Рис. 2. Спектральная чувствительность вакуумных рентгеновских диодов: а) — ВРД типа 81е (материал фотокатода — углерод, фильтр — лавсан 316 мкг/см2 ); б) — ВРД типа 84е (материал фотокатода — молибден; фильтр — алюминиевая фольга толщиной 6 мкм); в) — ВРД типа 83е (материал фотокатода — молибден; фильтр — алюминиевая фольга толщиной 0.75 мкм).
0
от пинча под азимутальным углом 135° по отношению к первому калориметру (рис. 1). В ряде экспериментов проводились измерения выхода энергии в осевом направлении вторым калориметром и РФК. Сигналы МРИ с наносекундным временным разрешением регистрировались вакуумными рентгеновскими фотодиодами (ВРД) с чувствительностью к энергии квантов в интервале 20—4000 эВ [7, 8]. Зависимости спектральной чувствительности от энергии квантов для исполь-
зуемых вакуумных диодов приведены на рис. 2. Характеристики ВРД различаются из-за типов используемых фотокатодов и спектрального пропускания рентгеновских фильтров. Измерения ВРД-детекторами проводились одновременно в направлении перпендикулярно оси пинча и в осевом направлении со стороны анода. Изображение пинча снималось рентгеновскими камерами-обскурами. Камера-обскура располагалась на расстоянии 13.5 см от источника излучения. Изобра-
Калориметр 1 1
3 мм
Калориметр 2
Рис. 4. Геометрия расположения радиальных калориметров в экспериментах с секционными сборками (вид вдоль оси сборки). 1 — внешние многопроволочные сектора; 2 — внутренняя цилиндрическая многопроволочная сборка. Отдельные проволочки на рисунке не показаны.
жение плазмы снималось с уменьшением 12.8 на рентгеновскую пленку РФ-3 и голографические пластинки ВР-П. Для исследования плазменных потоков распадающегося пинча использовался датчик плазмы с геометрией
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.