ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 4, с. 345-369
ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.922
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИМПЛОЗИИ КВАЗИСФЕРИЧЕСКИХ ПРОВОЛОЧНЫХ ЛАЙНЕРОВ НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1 ПРИ ТОКЕ ДО 4 МА
© 2012 г. В. В. Александров, Г. С. Волков, Е. В. Грабовский, А. Н. Грибов, А. Н. Грицук, Я. Н. Лаухин, К. Н. Митрофанов, Г. М. Олейник, П. В. Сасоров, И. Н. Фролов
ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Московская обл., Россия
Поступила в редакцию 24.06.2011 г .
Окончательный вариант получен 02.09.2011 г.
Представлены результаты исследования трехмерной пространственной концентрации вещества в центральной части разрядного промежутка и формирования временного профиля мощности рентгеновского излучения (РИ) в процессе имплозии квазисферических многопроволочных лайнеров при токе разряда до 4 МА. В качестве характеристик имплозии квазисферических многопроволочных лайнеров использованы пространственное распределение свечения РИ в центральной части разрядного промежутка и временной профиль мощности РИ. Начальная пространственная структура квазисферического лайнера формировалась при растяжении по радиусу ненатянутых проволок исходных цилиндрических и конусных многопроволочных лайнеров под действием электростатического поля. Показано, что временной профиль выходного импульса РИ в диапазоне энергий квантов 0.1 — 1 кэВ зависит как от геометрических параметров квазисферического лайнера, так и пространственного распределения массы лайнера вдоль его высоты. Обнаружено, что увеличение массы вещества на 40% за счет напыления в экваториальной части квазисферического лайнера приводит к увеличению среднего токового радиуса пинча на 15% и снижает выход энергии РИ на 30%. Проведены эксперименты с квазисферическими лайнерами из капроновых волокон, на поверхность которых наносились проводящие слои из А1 и В1. Показано, что использование таких лайнеров позволяет, варьируя массу, материал и область напыления проводящих слоев, формировать импульс РИ с управляемыми профилем и длительностью. Обнаружено, что нанесение дополнительной массы в виде полосы тонкого слоя В1 на вольфрамовые проволоки у катода сборок обеспечивает компенсацию влияния катодного зиппер-эффекта на сжатие пинча и формирование импульса РИ в Ж-лайнерах.
1. ВВЕДЕНИЕ
Физика высокой импульсной мощности является совокупностью технологий, которые позволяют эффективно концентрировать электрическую энергию в пространстве и времени [1—3]. Прогресс во многих применениях физики высокой импульсной мощности в существенной степени зависит от теоретических исследований, численного моделирования и экспериментов. Одним из применений экспериментальных установок высокой импульсной мощности является создание мощных источников рентгеновского излучения на основе имплозии быстрых Z-пин-чей многопроволочных сборок. Эксперименты по физике высокой импульсной мощности находятся в центре внимания экспериментальных исследований на установке Ангара-5-1 [4]. В них обычно используют цилиндрические многопроволочные сборки (лайнеры). Ток от генератора высокой импульсной мощности Ангара-5-1 сжимает вещество цилиндрической проволочной сборки. Эффективность преобразования электрической
энергии в энергию рентгеновского излучения при имплозии проволочной сборки высока — до 15% запасенной электрической энергии, причем мощность рентгеновского излучения, благодаря меньшей длительности рентгеновского импульса, превышает в 2—4 раза электрическую мощность [5—7].
Несмотря на обширные экспериментальные и расчетно-теоретические исследования адекватная модель, предсказывающая параметры мощного источника рентгеновского излучения на основе имплозии быстрых Z-пинчей многопроволочных лайнеров, пока не создана.
Анализ динамики напряжения и тока для Z-пинча проволочной сборки показал, что в течение длительного времени ток в нагрузке течет в области начального радиуса многопроволочной сборки. Как следует из временного профиля индуктивности нагрузки в модели тонкой оболочки, в начале импульса рентгеновского излучения средний токовый радиус в опытах на установке достигает примерно 3—4 мм [8, 9]. Экспери-
ментально совпадение выводов двумерных (2D) расчетов с данными экспериментов было получено в работе [10]. Установлено, что, вследствие формирования на ускоряемой "тонкой" оболочке рэлей-тейлоровской (Р—'Т) неустойчивости, плазма сжимающейся проволочной сборки распределена по радиусу. Эта оставшаяся позади или отстающая (trailing) масса обычно наблюдается в двумерном 2D(r, z) моделировании сжатия плазменных оболочек [5]. Однако средний токовый радиус, вычисленный на основе 2D-моделирова-ния, не вполне совпадает с экспериментально измеренным по профилям тока и напряжения. Эта проблема, свойственная 2D-моделированию, заключается в предположении о симметрии в азимутальном направлении. Неустойчивости оставляют массу на большем радиусе в форме модуляций плотности на рентгеновских изображениях пинча с характерной топологией из пузырей (слабо излучающих областей) и сильно излучающих областей. Такая масса составляет отстающую (trailing) часть массы.
Свидетельство присутствия плазмы на периферии вольфрамового лайнера было получено в интерферометрических измерениях плотности в работе [11]. К моменту максимального сжатия вольфрамового лайнера, близкого к пику импульса РИ с длительностью 5—8 нс, в исходном положении проволок зарегистрирована плотность плазмы 1018 см-3. В предположении о величине среднего заряда ионов вольфрама Z = 10, масса плазмы, оставшейся на исходном радиусе, составляет приблизительно 10% начальной массы лайнера.
За исключением переднего края полой плазменной оболочки электросопротивление между анодом и катодом на ее периферии, обусловленное наличием пузырей, чрезвычайно высоко. Это сопротивление между областями высокой светимости на изображении оболочки сильно ограничивает протекание тока на больших радиусах. При 2D-моделировании расчетный импульс РИ оказывается уже и интенсивнее экспериментально наблюдаемого импульса РИ [3]. Объяснение этого может лежать в невозможности при 2D-мо-делировании воспроизвести такое сложное распределение тока.
Точный расчет Z-пинча требует моделирования испарения (абляции) вещества лайнера, которая занимает первые 50-80% времени имплозии Z-пинча на основе цилиндрического проволочного лайнера в 0-мерном приближении. В течение этой стадии неподвижные остовы проволок поставляют составляющее их вещество в виде плазмы, которая сносится радиально к оси лайнера силой J х B, приводя к перераспределению массы внутри лайнера. Аксиальная неоднородность темпа испарения вещества проволок приводит к тому, что реально процесс имплозии
начинается до того, как будет исчерпана вся масса проволок. Таким образом, обеспечивается механизм для объяснения отстающей массы, отличный от Р-Т-неустойчивости. Сущность затянутого во времени испарения обусловлена гетерогенной структурой проволочной сборки, которая создается при воздействии на нее импульса высокого напряжения [12, 13]. Этот процесс производства плазмы был назван в [14, 15] затянутым производством плазмы. Развитая с учетом явления затянутого производства плазмы модель имплозии описывает динамику формирования радиального потока плазмы с магнитным полем, который направлен от поверхности источника плазмы к оси сборки, а также генерацию на начальной стадии имплозии плазменного предвестника, который несет часть разрядного тока. Подобные свойства плазменного предвестника были подтверждены экспериментально [16]. В настоящее время модель источника плазмы с затянутым производством плазмы под действием радиационного испарения уточняется [17]. Другая модель источника плазмы, названная ракетной моделью, была предложена в [18].
В работе [18] описывается простая феноменологическая модель для скорости удаления вещества из остова проволок йш/й в проволочных лайнерах. В этой модели радиальная скорость потока плазмы из короны окружающей проволоки V, используется как феноменологический параметр. При этом долго живущие остовы проволок остаются на начальном радиусе лайнера до полного испарения. Радиально направленная внутрь лайнера сила J х В, вместо того, чтобы ускорять всю массу лайнера, действует на плазму короны, которая непрерывно образуется из остовов. Оказывается, что, при достаточно больших промежутках между проволоками, эта ситуация сохраняется до 80% времени имплозии в 0-мерном приближении. После этого момента наступает старт имплозии, которая затем развивается очень быстро. Простой феноменологический анализ обеспечивает оценку темпа испарения вещества проволок, дает соответствующее радиальное распределение массы и оценку максимального уровня возмущений в остовах проволок в процессе испарения проволок. Эта простая модель описывает общие черты имплозии, наблюдаемые в экспериментах. В модели используется конфигурация со стационарными остовами проволок, которые не несут существенного тока. Ток сконцентрирован только в области вокруг остовов проволок, таким образом, обеспечивая непрерывное удаление материала из ядер, преобразование его в плазму и ускорение этой плазмы к оси лайнера силой J х В. В модели предполагается, что область, где сконцентрирован ток, является относительно маленькой, и что плазма покидает эту область без тока, что возможно, если вели-
чина магнитного числа Рейнольдса в этой области — меньше или около 1. В этом случае плазма, после выхода из слоя с током, перемещается к оси лайнера без магнитного поля и без ускорения с постоянной скоростью V. Величина этой скорости (измеряемая в эксперименте) используется как параметр в модели, и предполагается, что эта скорость не изменяется во времени.
Для конфигурации со стационарными остовами проволок и стационарным потоком корональ-ной плазмы темп испарения массы проволок на единицу их длины можно записать как условие баланса импульса вещества, уносимого с ядер со скоростью V, и импульса, переданного ядрам проволок [18],
ydm _ И о1 dt 4nR0
(1)
Это уравнение является уравнением реактивного движения и поэтому данная модель процесса имплозии названа авторами ракетной моделью
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.