ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 2, с. 162-167
^ ДИНАМИКА
ПЛАЗМЫ
УДК 533.952
СЖАТИЕ ГАЗОВЫХ ЛАЙНЕРОВ В КОНФИГУРАЦИИ СО СПИРАЛЬНЫМ ОБРАТНЫМ ТОКОПРОВОДОМ
© 2013 г. С. А. Сорокин
Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, Россия e-mail: s.sorokin@rambler.ru Поступила в редакцию 30.05.2012 г.
Представлены результаты экспериментов с двухкаскадными газовыми лайнерами, проведенные на сильноточном генераторе МИГ (2 MA, 80 нс). Для стабилизации процесса сжатия лайнера и повышения эффективности передачи энергии от генератора в плазму лайнера применялся обратный то-копровод в виде многозаходовой спирали. Исследовалось влияние конфигурации обратного токо-провода на параметры генерируемых импульсов К-излучения аргона (энергия квантов 3—5 кэВ) и неона (энергия квантов 0.9—1.5 кэВ) и выход нейтронов из дейтериевого лайнера.
DOI: 10.7868/S0367292113010046
1. ВВЕДЕНИЕ
Одним из подходов к формированию сгустков импульсной, плотной плазмы является электромагнитное сжатие легких лайнеров (^-пинч). В этом подходе по лайнеру, легкой цилиндрической оболочке, пропускается мощный импульс тока сильноточного генератора. Лайнер ускоряется к оси магнитным полем протекающего по нему тока. Характерные длительности импульсов тока применяемых генераторов (быстрые конденсаторные батареи, генераторы на формирующих линиях, генераторы с прерывателями тока) составляют 50—1000 нс, начальные радиусы лайнеров равны 0.5—5 см, а скорости сжатия — 107—108 см/с. При имплозии на оси пинча кинетическая энергия плазмы лайнера переходит во внутреннюю энергию плазмы пинча, а часть энергии плазмы преобразуется в энергию мягкого рентгеновского излучения (МРИ) (0.1—1.0 кэВ) и, в частности, излучения ^-оболочек ионов плазмы (^-излучения). Для эффективной генерации излучения, во-первых, необходима высокая эффективность передачи энергии от генератора во внутреннюю энергию плазмы лайнера и, во-вторых, необходимо, чтобы плазма излучила существенную часть ее внутренней энергии за время инерционного удержания пинча х;- « 2ту / V; (гу — финальный радиус пинча , у — скорость имплозии). В данной статье отмечается, что работа по сжатию лайнера, совершаемая магнитным полем, а, следовательно, и эффективность передачи энергии от генератора в лайнер могут в существенной степени определяться конфигурацией электродов (магнитного поля) в области ускорения лайнера. В частности, применение вместо прямого обратного токопровода (цилиндр или сборка из стерж-
ней в виде "беличьего колеса") в виде многозахо-довой спирали, наряду со стабилизирующим эффектом, позволяет повысить сжимающее лайнер магнитное поле и, как следствие, передаваемую в лайнер энергию (см. Приложение и [1, 2]). Эффективность конверсии внутренней энергии плазмы в рентгеновское излучение определяется главным образом величиной максимального тока генератора (массой лайнера) и финальным радиусом сжатого плазменного столба [3, 4], который, в свою очередь, определяется длительностью и устойчивостью процесса сжатия. В работах [5, 6] было показано, что применение двухкаскадной структуры лайнера позволяет существенно повысить компактность формируемого пинча, что дало толчок к последующим экспериментам по генерации ^-излучения сжатием двухкаскадных лайнеров [4, 7, 8].
В статье представлены эксперименты с двух-каскадными лайнерами, проведенные на сильноточном генераторе МИГ (2 МА, 80 нс). В экспериментах исследовалось влияние конфигурации обратного токопровода (прямой токопровод, изготовленный из стержней, в виде "беличьего колеса", и спиральный токопровод, в котором каждый из стержней токопровода выполнен в виде спирали с определенным шагом) и каскадирования лайнера на устойчивость и степень сжатия лайнера (однородность и диаметр сформированного пинча), а, также, параметры генерируемых импульсов ^-излучения аргона (энергия квантов 3—5 кэВ) и неона (энергия квантов 0.9—1.5 кэВ) и выход нейтронов из дейтериевого лайнера.
2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА И ДИАГНОСТИКА
Генератор МИГ на водяных формирующих линиях имеет волновое сопротивление передающей линии 0.65 Ом и обеспечивает в индуктивной нагрузке 25 нГн максимальный ток около 2 МА и длительность импульса тока около 80 нс. Детали устройства генератора приведены в [7]. Двухкас-кадный лайнер в виде двух соосных цилиндрических оболочек создавался с помощью быстрого клапана (давление в камере клапана 1—3 атм) и газовых сопел (рассчитанное по отношению критического сечения и сечения на выходе сопла число Маха около 4) кольцевого сечения. В экспериментах с аргоновыми лайнерами исходные радиусы и массы каскадов выбирались такими, чтобы обеспечить имплозию лайнера на оси около максимума тока генератора со скоростью (5—6) х 107 см/с. При такой скорости лайнера кинетическая энергия на один атом аргона составляет 52—76 кэВ, то есть превышает в 1.3—1.9 раз минимальную энергию (40 кэВ), необходимую для ионизации атомов аргона до гелиеподобного (50%) и водородоподобного (50%) состояний и нагрева электронов плазмы до температуры (около 1.1 кэВ), при которой они эффективно возбуждают электроны ^-оболочки. С учетом потерь на излучение с М- и Х-оболочек (в процессе ионизации атомов аргона) согласно магнитогидродина-мическим расчетам [9] такая кинетическая энергия является оптимальной для генерации ^-излучения. Выбор начальных параметров лайнера проводился на основе нуль-мерных расчетов по модели "снежного плуга", то есть с учетом сгребания распределенной по радиусу массы каскадов скинированным токовым слоем. В расчетах численно интегрировались уравнения электрической цепи и радиального движения токового слоя. В случае применения спирального обратного токопровода в расчетах учитывались как азимутальная, так и аксиальная компоненты ускоряющего лайнер магнитного поля. Разработанная на основе нуль-мерных расчетов и применяемая в экспериментах конфигурация сопел показана на рис. 1. Внешние радиусы сопел составляют 18 мм и 5 мм, соответственно, а ширина кольцевого зазора на выходе обеих сопел — 3 мм. Из сделанной по числу Маха М оценке расходимости газовых струй (угол расходимости ~ 1/М) следует, что кольцевые струи пространственно разделены на расстоянии от сопла до 20 мм. В эксперименте давление газа в камере клапана и задержка запуска генератора относительно момента открывания клапана выбирались так, чтобы обеспечить расчетное время сжатия лайнера. Если обратный то-копровод в области лайнера выполнен в виде многозаходовой спирали, то магнитное поле на внешней границе лайнера имеет компоненты
газовый клапан
Л
магнитный зонд и пояс Роговского
спиральный токопровод
/
1 см
анодная сетка
Рис. 1. Схема блока нагрузки.
Вв = ц01 /2пг и Вг = ц01 /к, где г — радиус лайнера, к — шаг намотки спирали, ц0 — магнитная постоянная. Отношение компонент сжимающего магнитного поля Вг/В0 = 2пг/к изменяется по мере сжатия лайнера, что оказывает стабилизирующий эффект на процесс сжатия. Диаметр применяемого токопровода составляет 54 мм, а шаг спирали варьировался от 60 мм и более. Длина спирального обратного токопровода превышала длину лайнера (2—3 см) на 2—3 см. Фотография типичного токопровода приведена на рис. 2. Показанный на рисунке токопровод состоит из 8 медных стержней диаметром 2.3 мм. Ток в диоде измерялся поясами Роговского и магнитными зондами. Изображение пинча в ^-излучении и Х-излуче-нии аргона регистрировалось камерами-обскурами. Мощность ^-излучения измерялась вакуумными рентгеновскими диодами (ВРД) с алюминиевым катодом и тефлоновыми фильтрами (17— 22 мкм). Детали измерения мощности излучения обсуждаются в работе [7].
В экспериментах с дейтериевым лайнером внешние радиусы сопел составляют 27 мм и 8 мм, соответственно, при ширине кольцевого зазора на выходе обоих сопел 5 мм. Выход нейтронов измерялся активационным детектором на основе серебряной фольги. Калибровка детектора проводилась с помощью эталонного источника нейтронов на основе 241Ат + Ве.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
На рис. 3 показаны изображения аргонового пинча в ^-излучении (фильтр — тефлон 22 мкм + + алюминий 0.4 мкм) для выстрелов со спиральным (а) и прямым (б) обратными токопроводами. На рисунке видно, что применение спирального
сопло
Рис. 2. Фотография типичного спирального обратного токопровода. Токопровод состоит из 8 медных стержней диаметром 2.3 мм.
обратного токопровода совместно с каскадированием лайнера позволяет получить достаточно однородный (без характерных перетяжек и горячих точек) пинч диаметром около 0.2 мм. В выстрелах с двухкаскадным лайнером и прямым обратным токопроводом пинч также имеет характерный диаметр около 0.2 мм, однако при этом пинч существенно неоднороден — наблюдаются возмущения в виде перетяжек с более высокой степенью сжатия плазмы пинча. К сожалению, ограниченное пространственное разрешение камеры-обскуры (разрешение по объекту около 90 мкм) не позволяет диагностировать детали перетяжек. Вероятно, наличие более плотных плазменных образований в перетяжках способствует повышению выхода ^-излучения, в результате чего выход ^-излучения в выстрелах с прямым и спиральным токопроводами был сравним (0.8—1.0 кДж), не-
смотря на повышенный энерговклад в лайнер в выстрелах со спиральным токопроводом. Отметим, что измерение выхода излучения в выстрелах со спиральным токопроводом осложнено затенением участков пинча проводами обратного токо-провода. Для определения выхода в таких выстрелах применялся поправочный коэффициент для учета затененной части пинча.
На рис. 4 показаны осциллограммы тока и мощности ^-излучения для выстрела с прямым обратным токопроводом. Двухпичковая (или даже трехпичковая) структура импульса излучения соответствует двум (трем) областям интенсивного излучения пинча на рентгеновском изображении (см. рис. 3(б)) и, по-видимому, обусловлена разновременностью сжатия лайнера вдоль оси г, то есть более поздним сжатием по мере удаления от сопла, что является результатом исходной расходимости газовой струи [7]. Ширина отдельных пиков на полувысоте (FWHM) составляет около 3 нс. К сожалению, компактный пинч с интенсивным излучением с ^-оболочки ионов плазмы формируется лишь в п
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.