Развитие техники генераторов сильноточных РЭП и появившиеся в связи с этим перспективы их использования для реализации инерциапьного У ТС [1,2], моделирования рентгеновских мишеней и создания источников мощного импульсного рентгеновского излучения потребовало детального изучения физических процессов, происходящих в сильноточных диодах. Кроме того, изучение динамики плазмы, обладающей в таких объектах нетривиальными свойствами и экстремальными параметрами, имеет самостоятельный фундаментальный интерес.
Представленная работа содержит результаты выполненных в 1976;1998 гг. экспериментальных исследований динамики плазмы в сильноточных диодах различных типов и конфигураций: в сильноточном фокусирующем диоде, диоде с легкой имплодирующей плазменной оболочкой (лайнером) и в плазменном размыкателе (плазменном прерывателе тока — ППТ).
Общим для всех этих на первый взгляд достаточно отличающихся объектов является доминирующее влияние магнитного поля протекающего тока и связанных с ним пондеромоторных сил на движение диодной плазмы, что и определяет их нетривиальное поведение.
Общими также, к сожалению, трудностями являются жесткие требования к применяемым диагностическим методам. Они должны обладать высоким временным (1−10 нсек) и пространственным (~ 0.1 мм) разрешением, достаточно высокой чувствительностью, и быть работоспособными в условиях сильных электромагнитных и радиационных полей. К тому же поставленные задачи требовали регистрации пространственно-временных плазменных характеристик, поэтому большая часть информации получалась с применением электронно-оптических методов исследования как в оптическом, так и в рентгеновском диапазонах, а также методов лазерного зондирования. Некоторые из этих методов впервые были разработаны и применены нами.
Целью данной работы являются: 1. исследование фокусировки сильноточного РЭП в диоде и нагрева им плотной плазмы анодной фольги;
2. изучение пространственно-временных характеристик диодной плазмы и построение «сценария» работы сильноточного фокусирующего диода;
3. экспериментальные исследования некоторых аспектов динамики плазмы при магнитной имплозии легких токонесущих оболочек и Z-пинчeй в рамках программы «лайнер-мишень» ;
4. исследования неравновесных электромагнитных полей в плазме ППТ;
5. создание адекватных диагностик для решения указанных выше задач.
Автор выносит на защиту следующие положения:
1. Создание сильноточного генератора РЭП «Мираж» .
2. Разработку и создание ряда новых рентгеновских и оптических методов диагностики плазмы, РЭП и газовых струй, в том числе рентгеновских ЭОП’ов с МКП-катодами и применение метода «ап-конверсии» для визуализации теневых изображений короткоживущей плазмы на длине волны 5,23 мкм.
3. Результаты экспериментальных исследований фокусировки электронного пучка в сильноточном диоде, включая обнаружение его сверхострой динамической фокусировки и миграции фокуса по поверхности анода в пределах интегрального фокального пятна.
4. Исследования нагрева плазмы анодной фольги сфокусированным электронным пучком и сопутствующих этому эффектов (динамику ее разлета, излучение МР и генерацию быстрых ионов).
5. Построение «сценария» работы сильноточного фокусирующего диода с малым аспектным отношением.
6. Результаты экспериментальных исследований динамики плазмы при ее магнитной имплозии, выполненных в рамках программы «лайнер-мишень», в том числе экспериментальное моделирование теплопроводностной схемы конверсии кинетической энергии лайнера в рентгеновское излучение и увеличение аксиальной теплопроводности при внесении в плазму примесей со средним «Z'A.
7. Регистрацию неравновесных электромагнитных полей в ППТ по штарков-скому уширению линии и по рассеянию лазерного излучения.
Среди новой информации, полученной в ходе выполнения настоящей работы, можно выделить следующие основные результаты.
1. Впервые в СССР разработана методика регистрации мощного импульсного ВУФ и МР излучения на основе открытых вакуумных диодов с алюминиевыми катодами. С ее помощью в экспериментах по нагреву плотной плазмы анодной фольги сфокусированным электронным пучком впервые непосредственно подтвержден эффект увеличения удельного энерговклада сильноточного РЭП по сравнению с одночастичным из-за явления «магнитного стоппинга» — удлинения траектории электронов в магнитном поле пучка.
2. В этих же экспериментах зарегистрированы ионы с энергией несколько МэВ, ускоряемые электрическим полем на границе плазма — вакуум.
3. Впервые для регистрации изображений в мягком и жестком рентгеновском излучении были разработаны ЭОП’ы, рентгеновским катодом и одновременно усилительным элементом которых является ]У1КПони были использованы в плазменном эксперименте.
4. С применением этой методики впервые были обнаружены динамическая острая фокусировка электронного пучка в диоде и эффект миграции фокуса пучка по плоскости анода в пределах интегрального фокального пятна, а также подтвержден замагниченный характер электронного течения в плотной плазме.
5. Впервые в практике диагностики плазмы для регистрации теневых изображений в среднем ИК-излучении был применен метод параметрического преобразования частоты вверх («ап-конверсия»). В модельных экспериментах по определению временного разрешения метода излучение с длиной волны 5,23 мкм зафиксировано с рекордным временным разрешением 10″ 'Л сек.
6. Впервые с помощью лазерного зондирования в широком диапазоне длин волн (от 0,266 мкм до 5,23 мкм) исследована динамика диодной плазмы различной концентрации. Обнаружена немонотонность разлета анодной плазмы в результате ее взаимодействия с магнитным полем пучка.
7. На основании комплексных исследований динамики диодной плазмы и электронного пучка сделан вывод, что работа острофокусирующего диода с мапым аспектным отношением хорошо описывается моделью вакуумного диода, электродами которого являются движущаяся анодная и катодная плазма. Экспериментальные результаты находятся в согласии с численными расчетами, выполненными в рамках этой модели.
8. При магнитной имплозии лайнера диаметром в несколько сантиметров из газа со средним 2 (азот) экспериментально зарегистрировано формирование тонкой (5 = 0.2 Л 0.3 мм) плотной оболочки уже на стадии разгона. Эта оболочка подвержена влиянию быстрой неустойчивости, приводящей к ее разрыву на стадии сжатия. Устойчивое 8 ч- 10 — кратное сжатие достигается при переходе на почти сплошные 7-пинчи из слабоизлучающих легких газов (РглНё).
9. Разработана методика измерения распределения плотности в полой импульсной газовой струе по рэлеевскому рассеянию лазерного излучения с электронно-оптической регистрацией изображения в рассеянном свете.
10. Качественно продемонстрирована реализация теплопроводностного механизма трансформации магнитной энергии в рентгеновское излучение.
11. Показано, что наличие локальных примесей со средним Z в гелиевом Ъ-пинче приводит к увеличению выделения энергии на торец.
12. В ППТ на стадии протекания тока по штарковскому уширению водородной линии На зарегистрированы неравновесные электрические поля различной природы. Турбулентные шумы зарегистрированы также по рассеянию лазерного излучения, приводящему к угловому уширению зондирующего светового пучка.
Научная и практическая ценность.
1. Результаты исследований физических процессов в фокусирующем диоде и взаимодействия сфокусированного РЭП с фольгами показали бесперспективность применения сильноточного РЭП как драйвера в инерциальном У ТС. Эти работы послужили стимулом для поиска других путей реализации энергии сильноточных генераторов.
2. Модельные эксперименты подтвердили принципиальную возможность осуществления теплопроводностного механизма трансформации магнитной энергии в мощное импульсное рентгеновское излучение по схеме «лайнер-конвертор» .
3. Уровень турбулентных электрических полей в плазме ППТ, зафиксированных по штарковскому уширению линии На, а также по рассеянию лазерного излучения, достаточен для проявления аномальных резистивных эффектов, которые могут существенно повлиять на динамику плазмы в ППТ, что необходимо учитывать при численном моделировании.
4. Оригинальные методы диагностики, разработанные нами в процессе выполнения диссертационной работы, представляют самостоятельный интерес и могут применяться в других плазменных экспериментах и исследованиях быстропротекающих процессов.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. В первой главе описан сильноточный электронный ускоритель «Мираж», построенный под руководством и при непосредственном участии авторана нем были проведены исследования фокусирующего диода.
У1.3. Выводы.
1. В плазме ППТ на стадии проводимости существуют как квазипостоянное электрическое Холловское поле, так и турбулентные электростатические колебания различной природы. Идентификация этих полеу осуществлена по штарковскому уширению линии НЛ.
2. Неравновесные пхумы зарегистрированы также по рассеянию лазерного излучения, приводящему к угловому уширению зондирующего светового пучка.
3. Интенсивность зарегистрированных колебаний достаточна для проявления аномальных резистивных эффектов, которые могут существенно повлиять на динамику плазмы в ППТ, и их следует должным образом учитывать при численном моделировании.
Заключение
.
1. Создан сильноточный генератор РЭП «Мираж» с высокими для того времени выходными характеристиками {U = 800 кВ, /= 400 к А, W= 12 кДж). Достигнута хорошая воспроизводимость параметров пучка и обеспечена возможность применения разнообразной диагностической аппаратуры.
2. Разработаны и впервые использованы в плазменном эксперименте новые диагностические методы: регистрация изображений в мягком и жестком рентгеновском излучении ЭОП’ами, рентгеновским катодом и одновременно усилительным элементом которых является МКПвизуализация теневых изображений в среднем ПК излучении с помощью «ап-конверсии» — применение вакуумных диодов с алюминиевыми катодами в качестве детекторов мощного импульсного мягкого рентгеновского излучения.
3. Установлено, что при нагреве анодной фольги сфокусированным электронным пучком образуется плотная плазма с температурой ~40 эВ, излучающая мягкое рентгеновское излучение мощностью 10Л Вт. Вклад энергии электронного пучка в фольгу превышает величину, рассчитанную в одночастичном приближении, из-за явления «магнитного стоппинга» — удлинения траектории электронов в магнитном поле пучка. На границе плазма-вакуум электрическое поле разделения зарядов ускоряет ионы до энергий порядка ZU, где U — энергия электронного пучка, а Z — характерный заряд ионов материала анодной фольги.
4. В диоде с малым аспектным отношением обнаружена острая динамическая фокусировка электронного пучка с плотностью тока до 1СЛ МА/смЛего фокус мигрирует по плоскости анода в пределах интегрального фокального пятна. Диодная плазма движется немонотонно за счет взаимодействия с магнитным полем пучка. На стадии роста тока разлет плазмы в диоде тормозится магнитным полем, а после достижения его максимума — ускоряется. В момент изменения знака ускорения электродной плазмы происходит расфокусировка пучка и возникают колебания диодного тока. Работа острофокусирующего диода с малым аспект-ным отношением хорошо описывается моделью вакуумного диода, электродами которого являются движущаяся анодная и катодная плазма. В рамках этой модели невозможно достижение параметров электронного пучка, необходимых для поджига термоядерных мишенейэто исключает применение электронного драйвера для осуществления инерциачьного У ТС.
5. Разработана методика измерения распределения плотности в полой импульсной газовой струе по рэлеевскому рассеянию лазерного излучения с электронно-оптической регистрацией изображения в рассеянном свете. С помощью этой методики в ряде экспериментов были обнаружены сильные локальные неоднородности плотности струи, которая в некоторых случаях имела слоистую структуру. Такие неоднородности принципиально не могут быть обнаружены с помощью интерферометрии. Отметим, что локальные возмущения плотности могут быть дополнительной причиной неустойчивого сжатия газового лайнера.
6. В процессе сжатия токонесущих лайнеров доминирующую роль играет хол-ловская неустойчивость, особенно опасная для лайнеров с малой концентрацией и большим значением Zона же может выступать в качестве начального возмущения при развитии неустойчивости Рэлей-Тэйлора. Её удается стабилизировать увеличением начальной толщины оболочки из слабоизлучающих газов (Я2, Не), в пределе переходя к магнитному сжатию «сплошных» Z-пинчей.
7. При имплозии лайнеров из хорошо излучающих газов развитие неустойчи-востей и сопутствующих этому явлений стимулируется формированием в процессе магнитного сжатия тонкой оболочки из плазмы большой плотности. Её толщина на порядок меньше скиповой, а плотность более чем на порядок превышает начальную.
8. В модельных экспериментах продемонстрирована работоспособность схемы «лайнер-мишень», реализующей теплопроводностный механизм трансформации магнитной энергии в рентгеновское излучение. Экспериментальные данные находятся в хорошем соответствии с результатами численного моделирования. Показано, что наличие локальных примесей со средним Z в гелиевом 2-пинче приводит к увеличению выделения энергии на торец.
9. Показано, что в плазме ППТ на стадии проводимости существуют как квазипостоянное электрическое холловское поле, так и турбулентные электрические поля. Идентификация этих полей осуществлена по штарковскому уширению линии Яа, а также по рассеянию лазерного излучения, приводящему к угловому уширению зондирующего светового пучка. Интенсивность зарегистрированных.
126 колебаний достаточна для проявления аномальных резистивных эффектов, которые могут существенно повлиять на динамику плазмы в ППТ.
•кк it.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность Л. И. Рудакову, чьи воззрения долгое время определяли тематику работы ОРП, в рамках которой и была выполнена настоящая диссертация.
Автор искренне признателен A.C. Кингсепу и К. В. Чукбару за ценные обсуждения некоторых аспектов работы и моральную поддержку.
Я благодарен сотрудникам диагностической лаборатории и группы «Мираж» Ю. М. Горбулину, CA. Данько, Д. М. Злотникову, Р. В. Чикину, А.Ю. Шаш-кову и В. М. Щеголю, а также другим сотрудникам ОРП, в сотрудничестве с которыми были получены основные результаты.
