ДИНАМИКА ^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.082.7.76
ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПЛОЗИИ МНОГОПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК НА УСТАНОВКЕ ПФ-3
© 2014 г. К. Н. Митрофанов*, **, В. И. Крауз*, В. В. Мялтон*, В. П. Виноградов*, Ю. В. Виноградова*, Е. В. Грабовский**, С. А. Данько*, А. А. Зеленин*, С. Ф. Медовщиков**, А. Н. Мокеев*
* НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия **ГНЦ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Москва, Россия
e-maihkrauz@nfi.kiae.ru, mitrofan@triniti.ru Поступила в редакцию 29.08.2013 г.
Представлены результаты экспериментов по сжатию вольфрамовых многопроволочных сборок то-ково-плазменной оболочкой установки ПФ-3 при уровне тока до 2 МА. Проведено исследование эффективности транспортировки тока в область проволочной сборки и переключение на нее разрядного тока. Информация о проникновении магнитного поля внутрь проволочной сборки, полученная при помощи микрозондов, позволила провести сравнение с результатами измерений магнитных полей, выполненных в последние годы на других мощных электрофизических установках. Сделана оценка интенсивности производства плазмы с вольфрамовых проволок при воздействии оболочки плазменного фокуса. Проведено сравнение результатов экспериментов с существующими моделями имплозии проволочных сборок с затянутым плазмообразованием.
Б01: 10.7868/80367292114020036
1. ВВЕДЕНИЕ
В недавнем прошлом была показана эффективность использования сильноточных установок (Z, США; Ангара-5-1, С-300 и ВМГ, Россия; MAGPIE, Великобритания; SPHINX, Франция и др.) для токового сжатия нагрузок из многопроволочных сборок для генерации мощных импульсов рентгена [1—4]. В середине 1990-х годов было обнаружено, что использование на данных установках нагрузок в виде многопроволочных сборок с большим числом проволок приводит к существенному сокращению длительности рентгеновского импульса при сохранении полной энергии излучения. На сегодняшний день многопроволочные сборки относятся к наиболее мощным лабораторным источникам мягкого рентгеновского излучения (МРИ). Их можно использовать для различных приложений фундаментального и технологического характера. Среди наиболее интересных приложений следует отметить использование проволочных сборок в исследованиях по инерциаль-ному термоядерному синтезу (ИТС). На установке Z в США было показано, что при сжатии вольфрамовых проволочных сборок, состоящих из большого числа проволок (больше 100), при импульсе тока 20 МА за 100 нс могут быть получены импульсы МРИ (hv > 200 эВ) длительностью несколько наносекунд (5—8 нс), мощностью ~280 ТВт и энергией ~1.8 МДж [2]. Достигнут высокий (~1) коэффициент преобразования кинетической энергии сжатия плазмы в МРИ. В работах [5—7]
экспериментально продемонстрировано, что такой рентгеновский источник с указанными параметрами возможно использовать для непрямого сжатия мишени для ИТС. Получен высокий выход термоядерных DD-нейтронов вплоть до 3 х х 1011 нейтрон/имп.
Однако, по современным представлениям, для зажигания топлива в термоядерной мишени непрямого облучения требуется мощность импульса МРИ выше 1000 ТВт (hv > 100 эВ) [3, 8]. Для этого в настоящее время проектируется новое поколение электрофизических установок: БАЙКАЛ, ЭМИР (Россия) и Х-1 (США) с уровнем тока 50—60 МА и временем нарастания 100—800 нс [9—12]. Для реализации мощного источника МРИ на будущих установках необходимо разработать оптимальную конструкцию лайнера, способную обеспечить компактное сжатие плазмы и получение интенсивности излучения чернотельного излучателя 1014—1015 Вт/см2 с температурой 200— 220 эВ. Для осмысленного конструирования таких лайнеров необходимо понимание физики их сжатия.
Исследования, проведенные на установках Ангара-5-1 и MAGPIE [13, 14], показали, что в экспериментах при уровне тока 3—4 МА возможно получение импульсов МРИ длительностью около 6 нс, мощностью примерно 5—7 ТВт и энергией от 30 кДж. Это указывает на сходство физических явлений ("холодный старт", затянутое плазмообразование, "плазменный ливень"
и др.), происходящих на данных установках и самой мощной на сегодняшний день установке ZR, несмотря на существенное различие токов установок. Действительно, в экспериментах по имплозии проволочных сборок плазма приготавливается самим генератором электрической мощности в результате пространственно неоднородного электрического пробоя изначально неионизованного плазмообразующего вещества проволок ("холодный старт") [15, 16]. Происходит образование гетерогенной структуры — остова взорванной проволоки и окружающей его плазменной короны. Разрядный ток перераспределяется между плазменной короной и остовом проволоки в пользу первой. Как следствие этого, вещество остовов проволок переходит в плазменное состояние не мгновенно, а в течение почти всего времени имплозии проволочной сборки (затянутое производство плазмы) [17, 18]. Гетерогенность структуры, возникающая при "холодном старте", есть важный фактор, влияющий на компактность финального сжатия плазмы ("плазменный ливень") [16] и получение коротких импульсов МРИ. Описанные выше явления, возникающие при "холодном старте", также являются общими для газовых и пенных лайнеров.
Проблему "холодного старта" могла бы решить предыонизация плазмообразующей среды. При этом важно, чтобы сама предыонизация не порождала пространственных неоднородностей плазмы, характерных для холодного старта разряда. Представляет интерес ионизация пенного лайнера внешней вспомогательной токовой оболочкой, если она осуществляется достаточно медленно, так что возникшие филаменты успевают расшириться и слиться с соседними. Начальные условия эксперимента могут существенно отличаться от условий экспериментов на быстрых Z-пинчах. При этом важными являются вопросы взаимодействия токовой оболочки как драйвера тока с пенным лайнером.
На установке Ангара-5-1 было показано, что медленная предыонизация пенного агар-агарового лайнера ((C14H18O9)B) импульсом тока (145 кА, At ~ 3 мкс) за 3 мкс до основного импульса установки (до 5 МА, At ~ 100 нс) успевает ионизовать около 10% его массы. При этом данная плазма сильно расширялась наружу в вакуум на расстояние нескольких начальных диаметров пенного лайнера. В этом случае за время короткого основного импульса установки не удалось достичь эффективного сжатия плазмы [19]. Напротив, на установке Sphinx (до 5 МА, At ~ 600—700 нс) с более длинным импульсом основного тока было показано, что токовый предымпульс (10 кА, At ~ 50 мкс) уменьшает неодновременность сжатия плазмы на ось (зиппер-эффект) в алюминиевых и вольфрамовых сборках. Как следствие этого,
мощность МРИ выросла примерно в 6 раз, энергия излучения — примерно в 2.5 раза [20].
Следует заметить, что в последнее время на установке MAGPIE (до 1.4 МА, At ~ 250 нс) проведены эксперименты по сжатию алюминиевых проволочных сборок в условиях "горячего старта" [21], когда токовым предымпульсом (5 кА, At ~ 25 нс) за 140 нс до воздействия основного импульса тока установки генерировалась плазма с проволок. В этом случае сжатие плазмы во время основного токового импульса установки происходило по типу сжатия плазменной оболочки (shell-like implosion), минуя фазу длительного плазмообразования. При этом не наблюдались явления, присущие "холодному старту", такие как гетерогенность структуры плазмообразую-щей области (остов—корона) и появление плазмы предвестника в области оси проволочной сборки до сжатия основной массы плазмы.
Дополнительные возможности моделирования условий "горячего старта" представляют относительно медленные установки микросекундного диапазона. При этом реализуется схема эксперимента, в которой по оси установки устанавливается нагрузка (пенный лайнер, многопроволочная сборка), а драйвером служит плазменная токонесущая оболочка. В определенных условиях возможна предыонизация вещества нагрузки излучением оболочки еще до непосредственного контакта оболочки с нагрузкой.
Первые опыты по взаимодействию мегаампер-ной токовой оболочки микросекундного плазменного фокуса установки PF-1000 (Польша) с пенным агар-агаровым лайнером дали обнадеживающие результаты [22]. Зарегистрировано образование однородной плазмы пенного лайнера при взаимодействии с ним более легкой токово-плазменной оболочки (ТПО).
Позже в экспериментах на мегаджоульной плазмофокусной установке ПФ-3 (НИЦ "Курчатовский институт", Россия) была показана возможность сжатия лайнеров при переключении тока с нецилиндрической плазменной оболочки на различные конструкции лайнеров: многопроволочную вольфрамовую сборку, пенный агар-агаровый лайнер, пылевой лайнер из субмикронного алундового порошка [23—26]. При этом обнаружено, что, используя особенности динамики разряда в геометрии типа Филиппова, заключающиеся в наличии длительной стадии радиального сжатия (~10 мкс), и при использовании сильно-излучающих рабочих газов можно провести "медленную" предыонизацию вещества лайнеров излучением оболочки еще до непосредственного контакта ТПО с нагрузкой [27].
В этих экспериментах ТПО ПФ-разряда можно представить как внешний газовый лайнер, доставляющий разрядный ток на внутренний лайнер. Одним из ключевых вопросов в такой поста-
новке эксперимента является вопрос об эффективности переключения тока. Механизм переключения тока с газовой цилиндрической оболочки на проволочную сборку изучался в экспериментах по сжатию проволочных сборок на установке ГИТ-12 (Россия, до 6 МА, At ~ 1.5 мкс) [28]. Было показано, что ток с плазмы внешнего газового лайнера может переключаться на проволочную сборку только тогда, когда полный импеданс плазмы газового лайнера выше, чем импеданс проволочной сборки, т.е. Rgas + dLgas/dt > Rwa. При этом Яка обратно пропорционально числу проволок в сборке, и следовательно, эффективность переключения тока с газовой оболочки будет выше для многопроволочных сборок. Однако в экспериментах на ПФ-установках эта проблема да сих пор не исследована.
Исходя из вышесказанного, целями данной работы были:
определение эффективности транспортировки тока в область проволочной сборки и переключения на нее тока. Информация о проникновении магнитного поля внутрь провол
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.