ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2011, том 37, № 6, с. 536-543
^ ДИНАМИКА
ПЛАЗМЫ
УДК 533.951
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УПРАВЛЕНИЯ УСЛОВИЯМИ РОЖДЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ИОНОВ В РАЗРЯДЕ СИЛЬНОТОЧНОЙ ВАКУУМНОЙ ИСКРЫ
© 2011 г. А. Н. Долгов, Н. В. Земченкова, Д. Е. Прохорович
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУМИФИ), Москва,Россия
Поступила в редакцию 30.06.2010 г. Окончательный вариант получен 11.11.2010 г.
Обсуждаются возможности оптимизации разряда сильноточной вакуумной искры (СВИ) на предмет его использования в качестве источника ионов металлов. Показано влияние формы и размеров электродов на степень погружения области горячей плазмы в облако холодного вещества и достигаемое состояние плазмы в области рождения "плазменной точки" (ПТ), являющейся источником многозарядных ионов. Намечены пути оптимизации конструкции электроразрядного устройства, способствующие повышению выхода ионов из области разряда СВИ.
1. ВВЕДЕНИЕ
Анализ результатов исследования механизмов образования и транспортировки ионных потоков в плазме СВИ [1, 2] приводит авторов данной работы к следующим заключениям. С одной стороны, эффективное использование энергии импульсного источника тока в процессе рождения многозарядных ионов обусловлено развитием МГД-неустойчивости токового канала типа перетяжки, который совместно с механизмом радиационного сжатия способен обеспечить образование области горячей (Те ~ 2—3 кэВ) плазмы высокой плотности (пе > 1022 см-3). С другой стороны, взаимодействие поверхности электродов с потоками плазмы и излучения из области развития перетяжки вызывает выброс в межэлектродный промежуток значительного количества плотного холодного вещества, представляющего собой сла-боионизованный пар материала электродов. Холодное вещество на периферии разряда экранирует область горячей плазмы, затрудняет транспортировку ионов за пределы разряда в результате процессов перезарядки и неупругого рассеяния.
Таким образом, разряд СВИ в качестве источника ионов обладает противоречивыми свойствами.
Вопреки имеющемуся мнению о том, что перетяжка развивается в области столкновения продуктов эрозии как внутреннего, так и внешнего электродов, причем для образования ПТ необходимо, чтобы внутренний электрод СВИ являлся анодом [3, 4], благодаря расширению спектра используемых диагностик получены убедительные доказательства того, что область горячей плазмы рождается в продуктах эрозии исключительно
внутреннего электрода и ее появление не обусловлено его полярностью [1, 2]. Данное обстоятельство наталкивает на мысль, во-первых, минимизировать роль внешнего электрода в формировании рабочей среды разряда путем трансформации его формы и размеров. Во-вторых — использовать внутренний электрод отрицательной полярности (катод), т.е. использовать эффект формирования потока надтепловых электронов, направленного в данном случае в сторону внешнего электрода. В результате последнего фактора можно ожидать улучшения условий транспортировки ионов за пределы разряда за счет повышения степени ионизации плазмы на периферии разряда, нейтрализации положительного объемного заряда ионного пучка и, возможно, амбиполярной диффузии.
Традиционно сильноточный разряд СВИ рассматривается в качестве лабораторного источника вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения, а также в качестве объекта для моделирования процессов в плазме тяжелых элементов крупномасштабных устройств типа зет-пинч с токами на уровне десятков мегаампер [5, 6]. Считается, что разряд СВИ не является эффективным источником ионов, а для продвижения на пути создания приемлемого для решения различных прикладных задач источника ионов более перспективны так называемые слаботочные (достигаемый ток в разряде менее 10 кА) импульсные электрические разряды [7]. Однако для создания горячей плазмы высокой плотности, в которой возможно рождение ионов высокой кратности, весьма привлекателен механизм радиационного сжатия, который проявляет себя как пороговый эффект [8] по отношению к силе тока
Рис. 1. Схема электроразрядного контура СВИ: 1 — внутренний электрод (катод), 2 — внешний электрод (анод), 3 — электроды инициирующего устройства.
в разряде. Например, для плазмы железа критическая сила тока составляет ~50 кА [9].
Авторы данной работы ищут возможности добиться реализации процесса радиационного сжатия плазмы 2-пинча в среде тяжелых элементов совместно с созданием условий для эффективной транспортировки ионов за пределы разряда. Преимуществом СВИ по сравнению с такими сильноточными электроразрядными устройствами как плазменный фокус в среде тяжелых элементов, 2-пинч с импульсным напуском газа и взрывающиеся проволочки является относительная простота конструктивного решения и эксплуатации.
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ РЕЗУЛЬТАТЫ
Эксперименты выполнены на электроразрядном устройстве типа СВИ (рис. 1). Разрядное устройство имело коаксиальную конфигурацию. Внутренний электрод, являющийся в процессе зарядки батареи конденсаторов С1 катодом, расположен на торце внутреннего цилиндрического токовода. Внешний электрод (в процессе зарядки — анод) находится в торце внешнего обратного
токовода, представляющего собой полый цилиндр. Разряд батареи конденсаторов С1 осуществляется в продуктах эрозии материала электродов (железо) при начальном вакууме в рабочей камере не хуже 10-4 Тор. Пробой межэлектродного пространства инициируется поступлением в разрядный промежуток форплазмы от четырех вспомогательных источников эрозионного типа (триггеров) при разряде конденсатора С2. Сила тока в разряде измеряется калиброванным поясом Роговского ПР-1. Время нарастания тока Т/4 « 1.5 мкс. Временная синхронизация диагностической аппаратуры осуществляется сигналом с пояса Роговского ПР-2, расположенного в цепи инициирующего разряда. Напряжение, до которого заряжается батарея конденсаторов С1, составляет 3—15 кВ, при этом достигаемая в разряде сила тока изменяется в пределах 35—180 кА.
С целью минимизировать поступление в межэлектродное пространство продуктов эрозии анода было принято решение изменить его форму по сравнению с ранее использованной [10]. В результате наблюдения за поверхностью анода выяснилось, что диаметр области поверхности электрода, обращенной к разряду и подвергающейся интенсивной эрозии, составляет ~10 мм. Учитывая вышеуказанное обстоятельство для снижения степени воздействия потоков плазмы и излучения на поверхность анода в его конструкцию были внесены изменения, которые отражены на рис. 2.
Были проведены исследования пространственной структуры источников рентгеновского излучения X < 0.4 нм с помощью камеры-обскуры. По-прежнему, на обскурограммах фиксируется изображение плазменной точки, кроме того, наблюдается свечение кромки внешнего электрода, а вот рентгеновское излучение из области между ПТ и внешним электродом практически отсутствует.
Стоить отметить зависимость от конструкции анода положения области горячей плотной плазмы — ПТ (рис. 3). При одинаковой величине до-
(а)
внешний электрод
внутренний электрод
(//////////л
¡Ш 1' (
- Й (
(б)
анод (А)
Л
катод (К)
7
Рис. 2. Конструкция электродной системы: а) традиционная конфигурация внешнего электрода, б) внешний электрод в новом исполнении.
7
Рис. 3. Типичные обскурограммы плазменного канала разряда СВИ, зарегистрированные в радиальном направлении, для электродных систем, изображенных на рис. 2.
стигаемой в разряде силы тока -100 кА расстояние от поверхности катода до ПТ сокращается с 2—3 мм до 1.5—2 мм в результате изменения конструкции анода.
Для электродной системы с измененной конфигурацией анода (рис. 2б) характерно то, что с ростом достигаемой в разряде силы тока фиксируемая по изображениям на рентгеновских об-скурограммах область формирования ПТ удаляется от поверхности катода.
Исследование динамики плазмы разряда в межэлектродном пространстве было осуществлено с использованием техники теневого фотографирования. В качестве осветителя применялся импульсный лазер с рабочей длиной волны 337 нм и длительностью импульса зондирующего излучения 6 нс. Теневое фотографирование плазмы разряда СВИ осуществляется в заданный момент времени благодаря системе синхронизации и регулируемой задержке между моментом инициации разряда и импульсом зондирующего лазерного излучения.
Результаты теневого фотографирования (рис. 4) свидетельствуют об уменьшении потоков вещества с поверхности анода в разрядный промежуток по сравнению с наблюдаемым ранее. Данный качественный вывод основан на сравнении степени почернения фотопленки в области формируемого изображения плазменного объекта и размеров плазменного факела, выбрасываемого с поверхности внешнего электрода. Ранее проведенные методами лазерной интерферометрии и тенеграфии исследования потоков вещества в разряде показали, что формирование их изображений определяется в первую очередь поглощением, а не рефракцией [4, 11, 12]. Заметим, что по-прежнему на теневых фотоснимках фиксируется область образования перетяжки плазменного канала в момент времени ~1.9—2.1 мкс от инициирования разряда на расстоянии -1.5—2 мм от поверхности катода (рис. 4д), пространственно совпадающая с изображением рентгеновского источника на обскурограмме. Минимальный наблюдаемый радиус перетяжки составляет 100—
150 мкм, что находится на пределе пространственного разрешения (-100 мкм) используемой оптической схемы, которое оценивалось в приближении дифракции Фраунгофера и определялось экспериментально по регистрируемому размытию изображения лезвия ножа, помещенного в межэлектродное пространство в отсутствии плазменного объекта.
На тенеграммах наблюдается формирование токовоплазменной оболочки из продуктов эрозии преимущественно материала катода (рис. 4а, 4б, 4в) и образование области повышенной плотности (возможно, ударной волны) в месте столкновения потоков вещества с катода и анода (рис. 4в), причем отчетливо видно, что перетяжка формируется в плазменном факеле, распространяющемся от катода к аноду. Факт распространения плазмы повышенной плотности от области, где происходит образование перетяжки в на
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.