ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2009, том 35, № 6, с. 507-519
^ ДИНАМИКА
ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ПЛАЗМЫ В Х-ПИНЧАХ МЕГААМПЕРНОГО ДИАПАЗОНА
© 2009 г. С. С. Ананьев, Ю. Л. Бакшаев, П. И. Блинов, В. А. Брызгунов, С. А. Данько, А. А. Зеленин, Е. Д. Казаков, Ю. Г. Калинин, А. С. Кингсеп, В. Д. Королев, В. И. Мижирицкий, С. А. Пикуз*, **, В. П. Смирнов, М. М. Соколов, С. И. Ткаченко*, Г. И. Устроев, А. С. Черненко, Т. А. Шелковенко*, **
РНЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия *Корнельский университет, Итака, США **Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 19.08.2008 г. Окончательный вариант получен 22.10.2008 г.
Приведены результаты экспериментальных исследований динамики и параметров плазменных образований, возникающих при протекании мегаамперных (до 2.3 МА) токов по Х-пинчам, сформированными перекрещенными проволочками из различных материалов, причем варьировались также их диаметр и количество. Минимальный измеренный размер горячей точки менее 20 мкм, а в излучении из нее в линиях неоноподобного молибдена (диапазон 2.5—3 кэВ) зарегистрирована энергия выше 10 Дж; мощность этого мягкого рентгеновского излучения достигла 120 ГВт. Сравнение интенсивности излучения и контуров линий гелиеподобных ионов Бе и Сг с расчетными позволило оценить время жизни горячей точки ~10 пс. В описываемом цикле работ в экспериментах с Х-пинчами зарегистрировано жесткое рентгеновское излучение в диапазоне энергий квантов >800 кэВ.
РАСЯ: 52.59.Px, 52.70.La, 52.59.д, 52.58.Lq, 52.38.Ph
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время наиболее мощными лабораторными источниками мягкого рентгеновского излучения (РИ) являются плотные Z-пинчи, образовавшиеся при сжатии проволочных сборок сантиметровых размеров мегаамперными токами со временами нарастания порядка 10-7 с. Характерная площадь таким образом созданного излучающего пинча составляет величину порядка 0.1—1 см2, причем его длина в 10—50 раз может превышать диаметр. Иногда в излучающей области наблюдаются отдельные существенно более яркие образования, имеющие значительно меньшие размеры — горячие точки (ГТ), которые возникают в моменты времени, близкие к максимуму сжатия, в разных областях пинча.
Идея использования пинчей в качестве источников мягкого рентгеновского излучения для различных применений, возникла вместе с идеей самих пинчей (см., например, обзор [1]). Осуществлению данной идеи препятствовали неопределенность положения источников излучения, ГТ, во времени и пространстве, так как для решения многих задач, например, для рентгенографии [2], требуется яркий точечный источник рентгеновского излучения малых размеров с заранее заданной локализацией. Необходимо также отметить, что при имплозии Z-пинчей невозмож-
но заранее предсказать количество возникающих точечных источников и их интенсивность. Эти трудности удается преодолеть, используя Х-пинч, представляющий собой две или более перекрещенные в одной точке проволочки, помещенные в диоде сильноточного генератора [3—5]. Сингулярность такой конфигурации определяет его уникальные свойства, а именно: в широком диапазоне начальных параметров — количество и материал проволочек, их диаметр, угол скрещивания, зазор диода, ток разряда, скорость его нарастания — в области перекрестия образуется горячая плазма, излучающая в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах длин волн. При этом экстремальные параметры излучающей плазмы достигаются в особых плазменных образованиях, называемых горячими точками [4, 6]. Многочисленные предшествующие эксперименты показали, что ГТ должна обладать следующими параметрами:
* размер области, излучающей фотоны кило-электронвольтного диапазона, — меньше 10 мкм;
* время существования, измеряемое по длительности излучения в этом же диапазоне энергий фотонов, — меньше 100 пс;
* электронная плотность плазмы, пе — больше 1021 см-3;
* электронная температура плазмы, Te — больше 0.5 кэВ;
* спектр излучения в течение первых 10 пс близок к спектру черного тела.
Таким образом, ГТ Х-пинча является уникальным точечным источником мягкого импульсного рентгеновского излучения (до 10 кэВ) с рекордной яркостью, что позволяет использовать его для рентгенографии c высоким пространственным и временным разрешением [4]. Поскольку данный объект обладает уникальными параметрами — ne ~ 1023 см-3, T~ 1 кэВ, P~ 10 ГПа, то его исследование представляет самостоятельный интерес.
Эксперименты также показали, что в случае образования ГТ временная эволюция плазменного объекта идет по устойчивому сценарию: перетяжка - ГТ - разрыв в перетяжке, вследствие чего Х-пинч является также источником жесткого рентгеновского излучения [7, 8] с энергией до сотен килоэлектронвольт, выходящего из относительно небольшой области. Генерация этого излучения связана с взаимодействием электронного пучка, возникающего при обрыве перетяжки, с плазмой, веществом проволочек и электродами. Таким образом, Х-пинч является перспективным точечным источником излучения в широком энергетическом интервале.
К настоящему времени основные исследования Х-пинчей выполнены на установках с токами до 500 кА, хотя в некоторых из них [8, 9] значение тока достигало 1.2 МА; при этом установки с бульшими токами имели и больший выход рентгеновского излучения. Достаточно простые теоретические оценки, основанные на анализе бен-нетовского равновесия [6, 10], предсказывают быстрое увеличение выхода излучения с ростом тока, поэтому исследования Х-пинчей при токах мегаамперного диапазона представляют несомненный интерес.
Образование горячей точки в перекрестии требует оптимизации параметров нагрузки для условий конкретной установки. Так, на основе большого объема данных, полученных на установках с различными параметрами, экспериментально установлено, что для формирования ГТ в Х-пин-че необходимым условием является высокая скорость нарастания тока — dI/dt > 1 кА/нс в нагрузке [9], однако "качество" Х-пинча зависит и от других начальных параметров. Например, для получения горячей точки с экстремальными параметрами необходимо обеспечить некоторое соотношение между током и погонной массой Х-пинча mi ~ I2; в [9] использовалось значение mt = 3 мг/см для I = 1 МА.
Для того чтобы момент максимального сжатия наступал вблизи максимума тока, при больших токах необходимо использовать большие значе-
ния mi нагрузки. В то же время невозможно использовать слишком толстые проволочки, так как у них переход в плазменное состояние занимает время, большее времени достижения максимума тока. Поэтому для генераторов с характерным временем нарастания тока ~ 100 нс и больших токах требуется применять многопроволочные Х-пинчи, хотя при этом возникают технические сложности формирования компактного перекрестия всех проволочек.
В представляемой работе изложены результаты исследований динамики плазмы и параметров горячей точки многопроволочных Х-пинчей при токах через нагрузку до 2.3 МА со временем нарастания 150 нс, проведенные на сильноточном генераторе С-300 (см. описание в [11, 12]). Эксперименты с Х-пинчами при таких высоких токах впервые проведены нами; краткое сообщение об этих исследованиях было опубликовано в [13].
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В экспериментах исследовались Х-пинчи длиной 10—12 мм с разным количеством N — от 2х до 20 — скрещенных под углом 60° проволочек различного диаметра d = 55—300 мкм из вольфрама, молибдена, нихрома и нержавеющей стали. Это обеспечило широкий диапазон исследуемых погонных масс mi = 3.6—40 мг/см и отношения погонной массы к величине максимума тока ml/I2 = = (1.6—15.5) мг/см-(МА)2. Эти проволочные сборки служили нагрузками для восьмимодульного сильноточного генератора С-300.
В диагностический комплекс входили датчики по измерению тока и напряжения в различных точках установки, детекторы рентгеновского излучения в различных диапазонах, а также электронно-оптические регистраторы в видимом и рентгеновском излучении. Сигналы с различных датчиков электрических параметров установки, детекторов излучения, а также синхроимпульсы с электронно-оптических приборов регистрировались информационно-измерительным комплексом (ИИК) установки С-300. Он включает в себя несколько групп многоканальных цифровых осциллографов "ТеЫгошх" (36—40 каналов, включая и технологические каналы каждого модуля) и компьютерное оборудование. Хранение и обработка информации производились с помощью программного комплекса DAS Т-10 [14, 15], предназначенного для создания систем сбора и обработки экспериментальных данных импульсных установок с общим хранилищем данных и регламентируемым доступом для удаленных участников эксперимента по сети Интернет. В состав программного обеспечения DAS T-10 входят: система управления базами данных (СУБД) с декодерами и сетевыми сервисами удаленного досту-
па, программные библиотеки для создания пользовательских приложений и специализированная программа для обработки и визуализации данных.
В ходе эксперимента данные измерений установки C-300 записываются с цифровых осциллографов во временный архив. Далее программа-декодер DecS300 переносит данные из временного архива в СУБД DASSQL-DASFile. При декодировании выполняется предварительная обработка данных и осуществляется синхронизация различных зарегистрированных сигналов по реперной метке на лучах осциллографов, записываемой за 100—200 нс до начала "рабочего" импульса (естественно, с учетом заранее измеренных времен распространения сигналов по измерительным трактам). После декодирования и записи в СУБД данные установки С-300 становятся доступными как для работы в автономном режиме, так и в режиме удаленного доступа с использованием Интернета и программы для обработки экспериментальных данных DASTools, а также пользовательских приложений, созданных с использованием программных библиотек DAS T-10. ИИК установки C-300 может работать как в автономном режиме, так и с использованием информационно-вычислительных ресурсов токамака Т-10, при этом используются сервер базы данных, сервер приложений и веб-сервер ИИК Т-10 (ht-tp://t10.fusion.ru/db).
Временное разрешение быстрых каналов, также как и точность
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.