научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ АЗИМУТАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И СКЕЙЛИНГОВЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ НА УСТАНОВКЕ КПФ-4-ФЕНИКС Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ АЗИМУТАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И СКЕЙЛИНГОВЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ НА УСТАНОВКЕ КПФ-4-ФЕНИКС»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 11, с. 993-1005

^ ДИНАМИКА

ПЛАЗМЫ

УДК 533.9

ИССЛЕДОВАНИЕ АЗИМУТАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И СКЕЙЛИНГОВЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ НА УСТАНОВКЕ КПФ-4-ФЕНИКС

© 2013 г. В. И. Крауз*, К. Н. Митрофанов*, **, Д. А. Войтенко***, Ю. В. Матвеев^***, Г. И. Астапенко***

* НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия ** ГНЦ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Троицк, Москва, Россия ** Сухумский физико-технический институт, Абхазия е-таП:кгаы1@пА.Ыае.гы Поступила в редакцию 03.04.2013 г. Окончательный вариант получен 07.06.2013 г.

Представлены результаты измерений магнитных полей в области пинчевания плазмы при сжатии токово-плазменной оболочки в разряде в дейтерии на установке плазменный фокус КПФ-4-ФЕНИКС. Исследована при помощи магнитозондовой методики "тонкая" структура токонесущей плазменной оболочки (ударная волна — магнитный поршень) и ее изменение по мере сжатия плазмы к оси установки. Показано, что эффективность транспортировки тока плазменной оболочкой в приосевую область установки не превышает 65% от полного разрядного тока. Интегральный

выход нейтронов Уп хорошо описывается зависимостью У„ « (1.5 - 3)х 10101р, где 1р — ток пинча

внутри области г < 22 мм.

БО1: 10.7868/80367292113110061

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследование механизмов генерации нейтронного и рентгеновского излучения на установках мегаджоульного и субмегаджоульного диапазона энергии источника питания является одним из приоритетных направлений развития плазмо-фокусных (ПФ) систем. Это обусловлено, в частности, необходимостью решения одной из важнейших задач практического применения ПФ-систем — создания мощного источника нейтронного излучения. Существует эмпирический скей-линг Yn ~ I4 [1—3], уверенно работающий в диапазоне энергий разряда (энергии, запасаемой в источнике питания) от единиц до сотен килоджоулей. Для дальнейшего продвижения по направлению увеличения нейтронного выхода необходимы эксперименты на крупных установках с токами в несколько мегаампер. На настоящий момент известны 4 действующие установки соответствующего диапазона энергетики: ПФ-3 (НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Wmax = = 2.7 МДж, Г/4 = 20 мкс, I = 2-5 МА); PF-1000 (IPPLM, Варшава, Wmax = 1.06 МДж, Т/4 = 6 мкс, I =2 МА); КПФ-4 "Феникс" (СФТИ, Сухум, Wmax = 1.8 МДж, Т/4 = 8 мкс, I = 2-3.5 МА) и GEMINI (NSTec, Лас Вегас, Wmax = 1 МДж, I = 34 МА). При анализе работы этих установок большое значение имеет эффективность транспорти-

ровки тока к оси системы. Специфика ПФ-разря-да заключается в наличии достаточно длительных (от единиц до десятков микросекунд) стадий формирования оболочки и ее движения к оси разрядной системы, предшествующих формированию пинча. При неоптимальных условиях эксперимента на этих стадиях могут появляться шунтирующие утечки тока. Эта проблема особенно актуальна именно для крупных установок, что обусловлено повышенной энергетической нагрузкой на элементы разрядной системы, и, в частности, на изолятор. Ранее в экспериментах на двух из вышеперечисленных установок ПФ-3 и РБ-1000 было показано, что при определенных условиях позади основной токонесущей плазменной оболочки (ТПО) могут формироваться замкнутые токовые контуры, в которые ответвляется значительная часть разрядного тока [4—8]. При этом величина ответвленного тока зависит от структуры ТПО [8, 9]. Результатом этого является уменьшение доли тока, участвующего в формировании пинча, что, в свою очередь, при работе на дейтерии приводит к снижению нейтронного выхода. Сравнительный анализ экспериментов на установках ПФ-3 и РБ-1000 показал, что нейтронный выход определяется величиной тока, протекающей в ТПО на стадиях, близких к формированию пинча, и практически не зависит от полного разрядного тока [10, 11]. Максимальный нейтрон-

Рис. 1. Разрядная камера установки КПФ-4-ФЕ-НИКС (диаметральное сечение). 1 — вакуумная камера; 2 — анод; 3 — катод; 4 — изолятор; 5 — диагностические окна; 6 — патрубок вакуумной откачки; 7 — разрядники; 8 — пояс Роговского; 9 — петлевой датчик производной тока; С — емкости батареи установки.

ный выход на установке РБ-1000 достигнут в режимах с полным сгребанием тока к оси [12]. Для корректного построения скейлинговых зависимостей нейтронного выхода от параметров разряда необходимо точное знание величины тока, протекающего в пинче. Это обуславливает актуальность подобных исследований на крупных установках

Настоящая работа посвящена исследованию динамики и структуры ТПО и эффективности транспортировки тока к оси на еще одной из существующих установок подобного класса — установке КПФ-4-ФЕНИКС.

2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА 2.1. Установка КПФ-4-ФЕНИКС

Эксперименты выполнены на установке плазменный фокус КПФ-4-ФЕНИКС (Жтах = 1.8 МДж, ^пах = 50 кВ) в Сухумском физико-техническом институте. Основные параметры установки подробно описаны в работе [13]. Электродная система мейзеровского типа состоит из двух коаксиальных электродов: медного цилиндрического анода диаметром 182 мм и длиной рабочей части с изолятором 326 мм, а также внешнего катодного электрода типа "беличье" колесо, состоящего из 36-ти 10-мм медных штырей, расположенных на диаметре 300 мм. Изолятор установки изготовлен из оксида алюминия (алунд). Наружный диаметр изолятора такой же, как у анодного электрода, ра-

бочая длина до 100 мм. Разрядная камера установки и электродная система в разрезе представлены на рис. 1.

Общее энергосодержание установки в описываемых экспериментах составляло 230—400 кДж при зарядном напряжении Ц = 18—24 кВ. Амплитуда разрядного тока — до 2 МА. В качестве рабочего газа использовался дейтерий при начальном давлении Р0 = 6.0—8.0 Торр.

2.2. Диагностика

Для исследования динамики ТПО нами применена магнитозондовая методика, аналогичная использованной ранее в работах [4—12]. Были изготовлены, с учетом геометрии установки КПФ-4, и прокалиброваны два варианта зондов. Зонды с плоской формой измерительного наконечника состоят из двух миниатюрных катушек диаметром ~0.8 мм, намотанных в разные стороны и упакованных в общий корпус из тонкой №11-фольги (см. рис. 2а). Толщина фольги 10 мкм обеспечивала время диффузии магнитного поля сквозь эту фольгу ~1.5 нс, что существенно меньше характерных времен изменения магнитного поля в наших экспериментах (по меньшей мере, десятки наносекунд). Размер корпуса зонда поперек потока плазмы около 0.5 мм, вдоль потока — 1.5—2 мм. Применение корпуса зонда такой формы позволяет улучшить обтекание зонда плазмой и минимизировать вносимое возмущение в плазменный поток [8]. Чувствительный элемент магнитного зонда состоит из двух отдельных петель, намотанных по часовой и против часовой стрелки. Наличие двух катушек обеспечивало одновременное получение двух сигналов разной полярности, что позволяло достаточно достоверно выделять полезную составляющую сигнала, обусловленную изменением магнитного поля тока, на фоне возможных электромагнитных помех и/или сигналов, связанных с высоковольтным пробоем на одну из петель. Критерием нарушения работы датчика являлось нарушение подобия и разнополярности регистрируемых сигналов, как показано на рис. 2в. После момента нарушения симметрии, отмеченного штриховой прямой, сигналы нами не обрабатывались.

Суммарная систематическая погрешность измерения индукции магнитного поля в плазме, включая погрешность калибровки, составила примерно 15—20%. Магнитные зонды были абсолютно калиброваны по методике, подробно описанной в работе [14]. Чувствительность зондов, использованных в наших экспериментах, составила (0.6—10) х 10-10 В/(Гс/с). Для расчета величины тока применялись численное интегрирование сигнала с зонда и закон Био-Савара-Лапласа в предположении симметрии токовой плазмы относительно оси установки. Обработка произво-

(а)

TDS 2054С

(б)

(в)

02 мм

6.15 6.20 6.25 6.30 6.35 6.40

мкс

Рис. 2. Конструкции магнитных зондов и схемы регистрации их сигналов.

а) — магнитный зонд с плоской формой корпуса; б) — магнитооптический зонд; в) — типичные сигналы двух каналов магнитного зонда. Штриховой прямой показан момент нарушения симметрии сигналов.

дилась до момента нарушения симметрии сигналов двух катушек одного зонда.

Для детального исследования тонкой структуры ТПО был изготовлен усовершенствованный вариант зонда, в котором, наряду с двумя магнитными катушками, имеется оптический канал для регистрации оптического излучения плазмы. Основная идея использования такого зонда заключается в том, что, по мере приближения ТПО к

зонду, должна возрастать интенсивность регистрируемого светового сигнала. При этом момент прохождения зонда хорошо сформированным ударным фронтом должен сопровождаться заметным усилением сигнала. Таким образом, появляется возможность пространственно разделить область плотной плазмы (ударная волна) и область распределения тока. Впервые зонд аналогичной конструкции был использован в работах [15, 16]

Рис. 3. Расположение магнитных зондов в разрядной камере установки КПФ-4-ФЕНИКС (диаметральное сечение). 1—3 — магнитные зонды, расположенные на радиусах 2.2 см, 5.6 см и 11 см соответственно; 4 — вакуумные вводы для магнитных зондов.

для исследования структуры ударной волны, возбуждаемой сверхскоростным (с числом Маха > 3) плазменным потоком в поперечном магнитном поле.

Конструкция магнитооптического зонда показана на рис. 2б. К двум обычно используемым каналам регистрации магнитного поля добавлено полимерное оптическое волокно диаметром 0.38 мм, помещенное в общий корпус вместе с петлями. Регистрация светового потока осуществлялась с помощью ФЭУ СНФТ-3. При обработке сигналов были учтены все времена кабельных задержек, время пробега квантов по оптоволокну и "мертвое" время ФЭУ (40 нс).

Зонды вводились в разрядный объем через вакуумные вводы на верхней крышке камеры на расстояния 2.2, 5.6 и 11 см от оси системы, как показано на рис. 3. Все зонды вводились через специальные шлюзовые устройства, позволяющие производить замену зонда после каждого разряда без нарушения вакуумных условий в камере. В некоторых случаях использовался магнитный зонд с интегрирующей цепочкой, который распола

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