ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2009, том 35, № 2, с. 161-173
ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.922
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА И ДИНАМИКА РЕНТГЕНОВСКОЙ ЭМИССИИ Z-ПИНЧА НА ОСНОВЕ ПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК В ОБЛАСТИ ЭНЕРГИИ КВАНТОВ СВЫШЕ 20 кэВ
© 2009 г. В. В. Александров, Е. В. Грабовский, А. Н. Грибов, А. Н. Грицук, С. Ф. Медовщиков, К. Н. Митрофанов, Г. М. Олейник
ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Московская обл., Россия
Поступила в редакцию 05.02.2008 г. Окончательный вариант получен 30.06.2008 г.
Рассматриваются результаты исследований эмиссии жесткого рентгеновского излучения с энергией квантов свыше 50 кэВ из плазмы плотных излучающих 2 пинчей. Работа выполнена с целью выяснения природы генерации быстрых электронов (электронного пучка) при сжатии цилиндрических и конических многопроволочных сборок (лайнеров) при токе до 3 МА на установке Ангара-5-1. При сжатии конических сборок обнаружено влияние на временной профиль жесткого излучения явления зипперинга плазмы, обусловленного наклоном проволок. Показано, что генерация жесткого рентгеновского излучения во всех случаях коррелирует с распадом плазменного столба у катода в финальной фазе сжатия пинча. Природа изображений пинча в квантах жесткого рентгеновского излучения обусловлена эмиссией тормозного излучения быстрых электронов, генерируемых при распаде плазменного столба на ионах плазмы и в анодной мишени. Обнаружено, что использование конусных сборок позволяет контролировать направление зипперинга плазмы, регулировать пространственно-временные и энергетические характеристики рентгеновской эмиссии пинча, в частности менять выход жесткого рентгеновского излучения. Для многопроволочных сборок диаметром 12 мм с линейной массой 200—400 мкг/см получены оценки тока и энергии пучка быстрых электронов, соответственно: 20 кА и 60 Дж, что составляет ~0.002 от энергии импульса мягкого рентгеновского излучения.
РАСЯ: 52.40.-w, 52.40.Mj, 52.59.-f, 52.59.Qy
1. ВВЕДЕНИЕ
Изучение фундаментальных свойств материи
при высокой плотности энергии в диапазоне 105—
106 Дж/см3 обусловлено как потребностью развития знаний о происхождении Вселенной и звезд, так и достижением в лабораторных условиях управляемого инерционного термоядерного синтеза (ИТС) с большим усилением как практиче-
ски неисчерпаемого источника энергии. В настоящее время для создания в веществе высокой плотности энергии используется пространственная концентрация потоков энергии, генерируемых мощными источниками энергии — энергетическими драйверами. В середине 90-х годов 20 века в СССР и США на основе развития технологии электрических генераторов высокой импульсной мощности была высказана идея такого драйвера: создание мощного источника рентгеновского излучения на базе 2-пинчевого разряда с применением многомодульных ускорительных комплексов. В ГНЦ РФ ТРИНИТИ - это установка "Ан-гара-5-1" с током до 5 МА [1] и в корпорации
"Сандия" (США) - установка "РВРА-2" с током
до 19 МА [2], которая в настоящее время перестроена в установку 2Я с током до 26 МА.
Последующие исследования по сжатию многопроволочных сборок в режиме излучающего 2-пинча вывели эти установки в лидеры по выходной энергии наносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения (МР). Уровень энергии импульсов МР на установке "2" достиг мегаджоульного диапазона, а мощность импульса МР достигла сотен тераватт. Дальнейшее развитие подобного источника рентгеновских импульсов, названного 2-пинчевым драйвером для ИТС, связывается с созданием установок с током до 60 МА, генерирующих ~10-20 МДж МР мощностью <1000 ТВт в импульсе. Как показывают расчеты [3], эти параметры достаточны для инициирования термоядерных реакций. Такие проекты разрабатываются в РФ — установка "Байкал" [3] и в США — установка "ХЯ" [4].
Драйвер на основе 2-пинча эффективно преобразует энергию электрического генератора в энергию рентгеновского импульса наносекунд-ного диапазона. В настоящее время эффективность такого драйвера при использовании в каче-
стве нагрузки многопроволочной сборки достигает 12% от энергии, запасенной в электрическом генераторе. Формирование излучающего ^-пин-ча из вещества проволок за характерное время нарастания импульса тока проходит ряд последовательных фаз развития. Процесс токовой имплозии проволочной сборки стартует с фазы инициации плазмы из вещества проволок под действием текущего по ним тока. На этой фазе после предварительного омического прогрева вещества проволок током за счет проводимости на их поверхности создаются условия, достаточные для электрического пробоя выделяющегося при нагреве адсорбированного газа. После электрического пробоя и образования плазменных каналов вдоль поверхности проволок по ним начинает протекать ток генератора. Из-за токового нагрева плазмы в каналах пробоя в ближайшей окрестности проволок формируется плазменная корона, параметры которой определяются балансом энергетических затрат на омический нагрев плазмы и затрат тепловой энергии на газодинамическое движение вещества, электронную теплопроводность и эмиссию из него потока излучения. Под действием потока энергии из плазменной короны на проволоку, который определяется электронной теплопроводностью и излучением, происходит абляция вещества из проволок. Создаваемая при абляции плазма сразу оказывается в магнитном поле, а нагрев ее до высоких температур приводит к тому, что она оказывается замаг-ниченной. При этом вещество, испаренное из проволоки, ускоряется под действием силы Ампера к оси лайнера в виде струи, вытянутой вдоль радиуса сборки. Пространственно-временная структура стекающей плазмы на этом этапе определяется явлением задержанного плазмообразо-вания [5—10].
Дальнейшее развитие процесса имплозии приводит к "плазменному ливню" и "прорыву магнитного потока" [8]. Эти явления имеют место при локальном окончании процесса абляции, когда в некоторых местах проволоки почти все вещество перешло в плазму. Проявляется это в виде осевого структурирования формирующегося пинча на его изображениях в собственном рентгеновском излучении. В финальной фазе сжатия пинча — фазе стагнации в приосевой области пинча происходит столкновение встречных плазменных потоков, переносящих основную часть массы сборки (более 50%). В то же время некоторая доля массы лайнера остается на больших радиусах от оси в виде отставшей массы.
При столкновении плазменных потоков в области их взаимодействия реализуются ударно-волновой нагрев и увеличение плотности плазмы. В результате кинетическая энергия плазменных потоков преобразуется во внутреннюю энергию сжатой и нагретой плазмы из вещества проволок
лайнера, которая затем излучается в виде мягкого рентгеновского излучения за счет ряда механизмов [11, 12] с максимумом спектрального распределения в области энергий квантов 0.2—1 кэВ.
В работе [13] было показано, что при имплозии цилиндрических проволочных сборок в выходном рентгеновском излучении Z пинча наряду с импульсным МР существует эмиссия жесткого рентгеновского излучения (ЖР) с энергией квантов свыше 50 кэВ. Уровень интенсивности ЖР на много порядков превосходит уровень интенсивности в области высокоэнергетичного хвоста теплового спектра МР. Показано, что процесс, ответственный за генерацию ЖР, существенно отличается от процессов, обеспечивающих импульс МР, в котором сосредоточена основная доля излучения пинча. Эмиссия ЖР возникает несколько позже, чем эмиссия МР. Из сравнительного анализа динамики эмиссии и областей локализации источников жесткого и мягкого рентгена обнаружено свидетельство развития при имплозии проволочных сборок надтеплового явления, отличного от тех, которые обеспечивают пиковую мощность выходного импульса МР. Рассмотрены возможные механизмы, которые могут быть ответственны за генерацию импульса ЖР.
Несмотря на богатый экспериментальный материал, полученный в опытах с цилиндрическими многопроволочными лайнерами, полного понимания процесса имплозии цилиндрических сборок пока не достигнуто, а адекватная модель для описания параметров выходного импульса рентгеновской эмиссии не создана. Поэтому требуется дальнейшее исследование физических явлений и процессов, таких как: формирование плазменного предвестника, скорость производства плазмы, сжатие пинча (стагнация), остаточная масса лайнера, перераспределение плотности тока, многократные сжатия пинча, устойчивость сжатия пинча, которые могут сильно влиять на полный выход излучения, а также генерация ЖР и пучков быстрых электронов, которые в значительной степени могут влиять на возможность применения Z-пинчевого источника рентгеновского излучения в качестве драйвера ИТС.
Результаты опытов, выполненных с коническими лайнерами [14—21], позволили глубже понять абляцию вещества проволок, формирование предвестника, динамику имплозии, и механизмы нагрева, присущие Z-пинчу на основе проволочных лайнеров, и проверить понимание процесса имплозии цилиндрических сборок. Конический лайнер состоит из большого числа тонких проволок, которые устанавливаются наклонно относительно оси лайнера, образуя поверхность, близкую к конической. Различие диаметра сборки у анода и катода определяет угол наклона проволок а относительно оси конусного лайнера и форму такого лайнера в виде усеченного конуса. Приме-
нение конической сборки приводит к ряду отличий от случая цилиндрической сборки, включая возникновение радиальной компоненты тока, изменение азимутального магнитного поля и различные межпроволочные расстояния в сборке у катода и анода. Экспериментальные результаты опытов с такими сборками обеспечивают возможность для проверки магнитогидродинами-ческих кодов, разработанных для моделирования 2-пинча цилиндрических лайнеров с целью моделирования имплозии конических, квазисферических и других конфигураций проволочных лайнеров.
В данной работе рассматриваются результаты исследования эмиссии ЖР плотных 2-пинчей, которые выполнены с целью выяснения природы генерации быстрых электронов (электронного пучка) в опытах по сжатию цилиндрических и конических многопроволочных лайнеров при токе до 3 МА на установке Ангара-5-1. Из анализа
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.