ДИНАМИКА ^^^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.082.7.76
ОБ УВЕЛИЧЕНИИ ПЛОТНОСТИ ЭНЕРГИИ В ПЛАЗМЕ ПИНЧА ПРИ ТРЕХМЕРНОМ СЖАТИИ КВАЗИСФЕРИЧЕСКИХ ПРОВОЛОЧНЫХ ЛАЙНЕРОВ
© 2014 г. В. В. Александров, В. А. Гасилов*, Е. В. Грабовский, А. Н. Грицук, Я. Н. Лаухин, К. Н. Митрофанов, Г. М. Олейник, О. Г. Ольховская*, П. В. Сасоров, В. П. Смирнов, И. Н. Фролов, А. П. Шевелько**
Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, Москва, Россия * Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша, Москва, Россия ** Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия e-mail: griar@triniti.ru, alexvv@triniti.ru Поступила в редакцию 04.04.2014 г.
Приведены результаты экспериментального исследования характеристик источника мягкого рентгеновского излучения (МР-излучения), образующегося при имплозии квазисферических лайнеров, состоящих из вольфрамовых проволок (W-КПЛ) и металлизированных капроновых волокон (КМВЛ), при токе до 3 МА на установке Ангара-5-1. На основе анализа пространственного распределения источников жесткого рентгеновского излучения с энергией фотонов свыше 20 кэВ на изображениях пинча при имплозии КПЛ из вольфрамовых проволок обнаружено, что в центральной области W-КПЛ образуется компактный плазменный объект, конфигурация изображения которого близка по форме к квазисферической поверхности, симметричной относительно оси КПЛ. С применением дифракционного спектрографа скользящего падения (GIS) получены данные о спектрах МР-излучения в диапазоне длин волн 20—400 А с пространственным разрешением по высоте и радиусу из центральной, приосевой и периферических областей источника излучения при токовом сжатии W-КПЛ. Показано, что спектры источника МР-излучения при имплозии квазисферических и цилиндрических вольфрамовых лайнеров (W-КПЛ и W-ЦПЛ) током до 3 МА имеют максимум интенсивности в диапазоне длин волн 50—150 А. Обнаружено, что при имплозии W-КПЛ с профилированием линейной массы имеет место перераспределение энергии в спектре источника излучения, которое свидетельствует о дополнительном вкладе в плазму энергии, связанной с продольным движением вещества, за счет трехмерной кумуляции энергии при сжатии W-КПЛ. Обнаружено, что средняя плотность энергии в плазме источника излучения при имплозии КПЛ в 7 раз больше, чем при имплозии ЦПЛ при равной массе КПЛ и ЦПЛ и близких значениях разрядного тока в диапазоне от 2.4 до 3 МА. Экспериментальные данные сравниваются результатами моделирования трехмерной имплозии и генерации излучения для КПЛ с профилированием массы с помощью трехмерного РМГД кода MARPLE-3D (ИПМ им. М.В. Келдыша РАН).
DOI: 10.7868/S0367292114110018
1. ВВЕДЕНИЕ
Результаты радиационных магнитогидродина-мических расчетов работы [1] по имплозии током в режиме быстрого Z-пинча [2, 3] квазисферической системы, состоящей из двойного лайнера и динамического хольраума, показывают, что в геометрическом центре такой системы можно увеличить интенсивность излучения за счет трехмерной кумуляции кинетической энергии потоков плазмы. В работах [4, 5] при имплозии квазисферических проволочных лайнеров (КПЛ) на установке Ангара-5-1 было экспериментально обнаружено трехмерное сжатие вещества КПЛ магнитным полем.
Поэтому применение трехмерного сжатия потоков плазмы при имплозии КПЛ открывает воз-
можность более эффективного использования кинетической энергии сжимаемого вещества для создания источника МР-излучения по сравнению с двумерным сжатием в случае цилиндрических проволочных лайнеров (ЦПЛ).
При имплозии КПЛ и ЦПЛ в центральной области пинча из-за кумуляции потоков плазмы формируется область, которая характеризуется высокими значениями плотности плазмы и ее градиента. Получение данных о пространственном распределении плотности плазмы в таких областях с помощью диагностик лазерного зондирования и импульсной рентгеновской радиографии в мягких рентгеновских фотонах ограничивается из-за сильного влияния рефракции лазерного излучения и поглощения фотонов мягкого рентгеновского излучения в плотной плазме.
Таблица
№ выстрела Материал и количество проволок лайнера Слои дополнительной массы на проволоках Тип электродов Полная масса лайнера, мкг
4944 30 W - плоские 248
4961 40 W - плоские 220
5017 16 W Bi плоские 177
5071 30 W Bi плоские 435
5094 40 капрон In-Bi конусные 269
5096 40 капрон In-Bi конусные 378
5101 30 W Bi конусные 381
Регистрация изображений пинчей в собственном МР-излучении в диапазоне энергии фотонов 0.1—0.6 кэВ при сжатии многопроволочных сборок затрудняется тем, что, если величина линейной массы лайнера не согласована с амплитудой и временем нарастания разрядного тока, то на периферии пинча формируется область, содержащая плазму из отстающего вещества лайнеров. Наличие области отставшей плазмы влияет на распределение тока в пинче из-за шунтирования части разрядного тока, снижая эффективность сжатия. Кроме того, поглощение собственного МР-излучения пинча при прохождении слоя отставшей массы вещества лайнера может искажать исходный спектр излучения пинча. Поэтому при проведении опытов по измерению спектров МР-излучения начальная линейная масса лайнеров выбиралась таким образом, чтобы при экспериментальном значении темпа производства плазмы техр к моменту времени пика разрядного тока на начальном радиусе сборки происходило полное истощение массы проволок лайнера. Истощение вещества проволок на начальном радиусе лайнера контролировалось по отсутствию свечения проволок на изображении радиальной щелевой развертки сжатия лайнера в видимом диапазоне спектра.
Для визуализации пространственного распределения вещества в пинче в экспериментах использовались изображения пинча в фотонах жесткого рентгеновского излучения (>20 кэВ). В работах [6, 7] было проведено исследование генерации такого излучения при имплозии проволочных лайнеров различных типов. Обнаружено, что генерация ЖР происходит, как правило, на несколько нс позже пика мощности МР. Экспериментально показано, что генерация импульсов ЖР обусловлена тормозным излучением пучка быстрых электронов [8, 9] при их взаимодействии с ионами вольфрама, входящими в состав плазмы пинча [6, 7]. Исследование изображений пинча в фотонах с энергией свыше 20 кэВ было проведено с применением для построения изображений в ЖР камер-обскур специальной конструкции [9].
Для исследования параметров излучения пинча при трехмерном сжатии в данной работе использовался спектрограф с пространственным разрешением, позволяющий регистрировать излучение как центральной части пинча, так и отставшей массы. Для изучения динамики имплозии лайнеров в радиальном и аксиальном направлениях использовались изображения с камер щелевых оптических разверток [5].
Целью работы является изучение условий формирования в центре КПЛ источника МР-излуче-ния, сравнение результатов имплозии для квазисферических и цилиндрических проволочных лайнеров и моделирование трехмерной имплозии и генерации излучения для КПЛ с профилированием массы вдоль длины проволок с помощью трехмерного радиационно-магнитогидродинами-ческого кода MARPLE-3D (ИПМ им. М.В. Келдыша РАН).
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Опыты по токовой имплозии различных типов лайнерных нагрузок проведены при амплитуде разрядного тока в диапазоне 2—3.5 МА и длительности фронта импульса тока примерно 90—100 нс в вакуумной камере с остаточным давлением 10-5 Торр на 8-ми модульной электрофизической установке Ангара-5-1 [4, 5].
В качестве лайнерных нагрузок использовались цилиндрические и квазисферические лайнеры, состоящие из вольфрамовых проволок (^ЦПЛ и '^КПЛ) и из металлизированных капроновых волокон (КМВЛ) с пространственным профилированием линейной массы вдоль высоты лайнеров. Была проведена серия из 52 экспериментов. Параметры лайнеров, результаты экспериментов, которые использованы в тексте статьи, представлены в таблице.
КПЛ и КМВЛ формировались с помощью создания электростатического поля между проволоками/металлизированными волокнами исходного ЦПЛ и дополнительным растягивающим
электродом, расположенным в межэлектродном зазоре установки [4].
Профилирование линейной массы вдоль проволок лайнера осуществлялось нанесением слоев дополнительной массы вещества на отдельные участки проволочного/волоконного лайнера в универсальной вакуумной установке ВУП-4 методом термического испарения в вакууме [5].
Для нанесения слоев применялись материалы с различным атомным номером: алюминий, индий и висмут. Контроль качества напыления металла на лайнер осуществлялся на контрольных образцах измерением диаметра проволок в растровом электронном микроскопе и однородности напыления на спектроанализаторе рентгеновского диапазона [5].
Выбор радиуса и линейной массы цилиндрических проволочных лайнеров, предназначенных для увеличения эффективности имплозии их вещества и достижения максимальной мощности выходного импульса МР-излучения, осуществлялся при заданных параметрах временного профиля разрядного тока I (t) и величине линейной массы m сжимаемого вещества из решения уравнения Ньютона
m Г = - f = . (!)
2nr 2ц 8п r с дополнительным условием, что максимальная скорость движения вещества лайнера достигается при выбранной массе m вблизи максимума тока пинча.
Кроме того, при изготовлении квазисферических проволочных и металлизированных волоконных лайнеров (КПЛ и КМВЛ) вдоль их высоты на проволоки или волокна наносились слои дополнительной линейной массы. При этом нанесенный профиль распределения линейной массы на КПЛ или КМВЛ с радиусом в экваториальной плоскости ЛКПЛ выбирался таким образом, чтобы пространственное профилирование линейной массы приблизительно удовлетворяло условию:
тЯК ПЛ sin2 0 = const, (2)
где 0 — полоидальный угол [1].
В экспериментах использовались КПЛ и КМВЛ с полной массой 150—450 мкг, высотой 15 мм, которые представляли собой часть квазисферической поверхности радиусом ЛКПл = 9.6 мм.
Схематическое изображение КПЛ радиуса ЛКПЛ с коническими анодным и катодным электродами высотой 4 мм показано на рис. 1.
Под действием электростатического поля, приложенного между проволоками исходного цилиндрического лайнера (позиция 1) и дополнител
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.