Цели и задачи исследования. В диссертации представлена совокупность представлений, моделей и аналитических оценок, нацеленных на описание и предсказание закономерностей свойств плазмы быстрых г-пинчей и горячих точек. Практически все результаты и выводы теоретического исследования сверялись с результатами экспериментов на отечественных и зарубежных установках, что повышает степень их достоверности.
Решались следующие основные задачи. • Построение модели электровзрыва проводника и пинчевания плазмы.
• Исследование процессов формирования и развития неустойчивости в плазме короны.
• Исследование механизмов генерации вихревых электромагнитных полей в плазме пинчей.
• Исследование возможности создания «точечного» источника рентгеновского излучения, в т. ч. лазерного, в плазме пинчей, исследование динамики и параметров горячих точек.
На защиту выносятся следующие основные положения, определяющие научную новизну результатов диссертации.
1. Модель электровзрыва тонкой проволочки и система оценок параметров плазмы Тпинча.
2. Модель образования короны пинча.
3. Теория ионизационно-тепловой неустойчивости плазмы и ее роль в формировании и развитии крупномасштабной неустойчивости типа сосисочной.
4. Результаты исследования физических эффектов, сопровождающих схождение перетяжки к оси пинча.
5. Результаты исследования динамики и параметров горячих точек пинча.
6. Постановка экспериментальных исследований плазмы 7. пинчей и интерпретация полученных результатов на основе развитых в диссертации представлений.
7. Результаты исследования возможности создания «точечного» источника рентгеновского излучения в плазме г-пинча.
Научная и практическая ценность. Развитые в диссертации теоретические представления и оценки находят применение как в объяснении ряда физических эффектов, протекающих в плазме быстрого 7. пинча, так и при постановке и интерпретации экспериментов по электровзрыву проводников в межэлектродном промежутке сильноточных ускорителей. Они могут быть использованы при совершенствовании программ численного моделирования Ъ-пинчей и при создании источника рентгеновского излучения, в т. ч. точечного, с необходимыми для научных и технологическх приложений пространственными и временными характеристиками.
Апробация результатов работы. Основные материалы диссертации опубликованы в печати в виде 26 отчетов и 3 препринтов РФЯЦ-ВНИИТФ, 11 статей и 10 докладов. Они излагались на различных международных конференциях: 5-ое Всесоюзное совещание по диагностике высокотемпературной плазмы (Минск, 1990), «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 1992, 1998гг.), «BEAMS-96» (Чехия, 1996 г.), «Фотоника и быстропротекающие процессы» (США, 1996 г.), «Физика плотных Z-пинчей» (Канада, 1997 г.), а также на семинарах в научных учреждениях России (ВНИИТФ, 1998;1999; НИИИТ, 1997; ВНИИЭФ, 1999) и США (Лос Аламосская и Сандийские Национальные Лаборатории, 1996;1997).
Личный вклад автора. В исследованиях, вошедших в диссертацию, автору принадлежат: постановка задач, разработка и создание моделей физических процессов, аналитические оценки, формулировка целей и задач численных расчетов и экспериментов, анализ и интерпретация их результатов. При непосредственном руководстве автора создавались экспериментальная установка и диагностический комплекс.
Объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, Введения, Заключения и Списка литературы. Объем диссертации составляет 162 страницы (шрифт «Arial-11»), в т. ч. 52 рисунка, 10 таблиц и 117 наименований в списке литературы.
2. Краткий обзор литературы и содержания диссертации.
Успехи, достигнутые в создании мощных электрофизических установок мультимегаамперного уровня типа Ангара-5−1 (Россия) или PBFA-Z (США), и результаты исследований Z-пинчей последних лет, выдвигают в качестве альтернативы лазерному термоядерному синтезу концепцию инерционного термоядерного синтеза на Z-пинче. При этом начальная энергия, запасенная в конденсаторных батареях электрофизических установок, трансформируется в конечном итоге (при электродинамическом сжатии цилиндрических оболочек в геометрии Zпинча) в мягкое рентгеновское излучение /1/, необходимое для зажигания термоядерной мишени в схеме «холраум» 121. Неудивительно, что это обстоятельство значительно стимулировало интерес к быстрым Zпинчам, так что, например, в США наряду с программой лазерного комплекса NIF (Ливерморская Национальная Лаборатория) принята программа электрофизического комплекса Х1 (Сандийские Национальные Лаборатории), также направленная в конечном итоге на решение задач инерционного термоядерного синтеза /31.
На повестке дня стоит также разработка и создание мощных источников мягкого рентгеновского излучения (РИ) на Z-пинче /4−16/, в т. ч. лазерных /11.
14/, с широким диапазоном применений в науке и технике: от рентгенолитографии и биологии /7/ до исследования уравнений состояния веществ при экстремальных параметрах/15,16/.
Первые расчетно-теоретические исследования возможности получения высоких плотностей энергии при электровзрыве цилиндрических проводящих оболочек, определения необходимых параметров тока и предложения по принципиальной схеме конструкции электрофизической установки были проведены во ВНИИТФ в середине 70-ых годов под руководством Лучинского А. В. Основной целью исследований являлось выяснение возможности зажигания термоядерных реакций при электровзрывном обжатии мишеней /17/. Кроме того, исследовались вопросы устойчивости и диагностики электровзрывной имплозии цилиндрических оболочек.
Однако лишь с начала 90-х годов по инициативе автора диссертации и при поддержке руководства ВНИИТФ началось систематическое изучение быстрых Ъпинчей, связанное с исследованием возможности создания на их основе мощного источника рентгеновского излучения, который мог бы найти применения в различных областях науки и техники. С целью перехода к экспериментальным исследованиям были определены возможности существующих в Институте электрофизических установок и выработаны предложения по модернизации одной из них (СИГНАЛ-24) и созданию новых, необходимых для решения ряда прикладных вопросов, в частности, для создания на основе Ъпинчей рентгеновских лазеров. Учитывая высокие энергетические возможности электрофизических установок, весьма заманчивой представлялась схема с резонансной фотонакачкой в конфигурации г-пинчей. Оптимистические результаты начальных оценок показали, что ряд вопросов на этом пути мог быть решен при использовании малых установок с токами порядка сотен килоампер. Практически в это же время, с анализа необходимой радиационной магнитогидродинамической (МГД) модели Тпинча, началась работа по адаптации Ю кода численного решения уравнений газодинамики ЭРА к задачам моделирования пинча, поскольку имевшаяся математическая программа КЭВ и ее модификация /17/ не учитывала многие важные физические процессы, такие как кинетика ионизации и возбуждения атомов и ионов, перенос излучения, замагниченность коэффициентов переноса и т. п.
Отмеченные направления деятельности интенсифицировались в связи с подготовкой предложения и последующим выполнением работ по проекту МНТЦ № 009−95, в котором автор являлся менеджером и научным руководителем, и завершились модернизацией электрофизической установки СИГНАЛ /18−19/, включающей рентгеновский диагностический комплекс, и численных кодов ЭРА /20/ и MAG /21/. Это позволило провести в 1995;1997 гг. ряд расчетно-экспериментальных работ /22/.
Основные направления исследований связывались с малоизучеными явлениями, сопровождающими как образование горячих точек (ГТ) плазмы быстрых Z-пинчей, так и их эволюцию.
Несмотря на то, что быстрые Z-пинчи являются предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований более двадцати лет, многие вопросы их физики остаются неясными. Это связано прежде всего со сложностью изучаемых явлений. Например, вплоть до настоящего времени не существует физико-математической модели, удовлетворительно связывающей между собой параметры токового импульса и нагрузки сильноточного генератора с образующейся плазмой. К тому же развитие возможностей диагностической аппаратуры открывает все новые и новые экспериментально регистрируемые эффекты и явления в этой области физики, которые, естественно, требуют своего объяснения. К ним можно отнести следующие.
1. На важность изучения начальной стадии взрыва проволочки и ее влияния на конечные параметры сжатия плазмы в Z-пинче указывают ряд работ /23−28/. Экспериментально установлено /24−27/, что в процессе взрыва тонкой проволочки и протекания тока через образовавшуюся плазму происходит формирование относительно холодного плотного ядра и горячей разреженной короны, составляющей от -3% до 50% массы проволочки /25,27/ и по которой протекает почти весь ток разряда. В теоретической работе Бобровой H.A., Разинковой Т. Л. и Сасорова П. В. /23/ показано, что в Z-пинче возможно существование равновесного гетерогенного состояния с плотной холодной сердцевиной (керном) и разреженной горячей короной, образованной малой долей погонной массы. Однако уже в работе Бакшт Р. Б. /23/ отмечены недостатки данной теории, проявляющиеся прежде всего в рассогласовании (в 2−3 раза) теоретических и экспериментально определенных значений критического тока пинча, при которых начинается образование короны. В отмеченной работе высказывается предположение, что возникновение горячей короны может быть связано с особенностями разлета вещества из состояний с высокой плотностью. Тем не менее, до настоящего времени не существует модели, удовлетворительно объясняющей экспериментально регистрируемые эффекты.
В этой связи представляется важным выявление связи между параметрами проволочки и токового импульса, с одной стороны, и параметрами керна и короны пинча, с другой. Это вызвано, в частности, и актуальностью задачи о создании плазменной цилиндрической оболочки с контролируемыми параметрами, которая образуется при взрыве многопроволочной цилиндрической сборки. Как известно /2/, такая сборка весьма перспективна для целей инерционнного термоядерного синтеза. Но для этого требуется понимание закономерностей образования плазмы в отдельных проводниках, поскольку эффективность имплозии многопроволочных лайнеров определяется в основном тем обстоятельством, как быстро на месте отдельных проводников, расположенных по образующей цилиндра, возникнет однородная плазменная цилиндрическая оболочка. Таким образом, при прогнозировании результатов взрыва и сжатия многопроволочной сборки необходимо, помимо прочего, моделирование начальной фазы, включающей взрыв отдельных проводников, разлет продуктов взрыва, образование плазменной оболочки.
2. О влиянии абсорбированной на поверхности проволочки примеси газов на достижение рекордных значений плотности и температуры плазмы в перетяжке пинча указывалось в работе /28/. Возникает вопрос об иных проявлениях плазменной оболочки, образовавшейся из газов, выделяющихся при нагреве проволочки. В этой связи, в частности, актуален вопрос о причине электромагнитных наводок на электронные блоки регистрирующей аппаратуры, поскольку среди разработчиков ЭОП зачастую высказывается мнение о том, что источником наводок может являться сама плазма пинчей.
3. В настоящее время общепринятым является представление о решающей роли МГД неустойчивости в образовании ГТ сильноточных пинчей /14/, согласно которому ГТэто перетяжки плазменного шнура, развившиеся из возмущений его границы. Однако не совсем ясно, каким образом неустойчивость может развиться при хорошей начальной симметрии мишеней. В то же время в экспериментах /29/ по изучению начальной стадии сжатия газового лайнера обнаружено явление стратификации плазмы вдоль его оси. Более того, сразу после электрического пробоя газовой оболочки на ее поверхности становятся заметны мелкомасштабные неоднородности вдоль оси лайнера в виде «ряби». В работе /30/ сообщается о наблюдении трубчатого свечения скин-слоя плазмы, перемежающимся с отдельными более яркими областями (структура «позвоночного столба»), В работах /30−32/ выявлены эффекты концентрации ГТ в прикатодной части пинча, а в /32/ сообщается о миграции ГТ вдоль оси лайнера по направлению от анода к катоду.
Естественно, возникают вопросы о причинах этих явлений, о механизмах, ответственных за формирование начальных возмущений, стратификацию плазмы, образование и концентрацию ГТ в прикатодной части пинча.
4. Обнаружение жесткого рентгеновского излучения от электронов и появление ионов с энергиями порядка единиц МэВ в экспериментах с электрическим разрядом в дейтерии позволило еще в 50-х годах сделать выводы о механизмах их генерации. Эти механизмы сводятся, по сути, к газодинамическому ускорению частиц в пинче /33/ и ускорению частиц в индукционных электрических полях, возникающих при быстром обрыве перетяжек /34/. Эти выводы нашли свое развитие в последующих работах /35/, однако, согласно /14/, существуют механизмы стабилизации развития перетяжек (аномальное сопротивление, перехват тока плазменной короной, запирание линейчатого излучения и т. п.), и до описанной теорией картины дело просто не доходит. Следует отметить, что в ряде экспериментов на установке СИГНАЛ также регистрировалось рентгеновское излучение с энергией квантов, в 2−3 раза превышающей ту, что электроны могли бы приобрести в межэлектродном промежутке ускорителя.
Можно констатировать, что вплоть до настоящего времени механизм ускорения частиц в плазме пинчей остается не совсем ясным.
5. Образующиеся при линчевании плазменного шнура горячие точки (микропинчи) представляют собой нестационарные высокотемпературные плотные объекты, интенсивно излучающие в диапазоне мягкого рентгеновского излучения /36/. Их образование сопровождается коротким (<10 не) импульсом рентгеновского излучения, поперечный К-размер ГТ (характеризует ту стадию ГТ, когда в плазме присутствуют и излучают, в основном Неподобные ионы) в плазме алюминия составляет 20−30 мкм, в плазме серы и кальция 10−15 мкм, в плазме железа, меди и цинка <2 мкм. В то же время в плазме титана и железа поперечный размер ГТ оценивается величиной <20−50 мкм или даже <10 мкм. В свою очередь, поперечный размер ГТ на стадии, когда плазма состоит, в основном из 1-ионов, составляет ~30 мкм. Сам факт регистрации спектров К-ионов в плазме титана и железа указывает на то, что в процессе эволюции температура плазмы ГТ достигает значений ~1 кэВ. Предельная, фиксируемая по К-сериям спектра РИ, электронная плотность плазмы алюминия составляет.
Ы=(5.7)Ю21 см 3, плазмы кальция и титана М=(0,5.1)-1023 см" 3, плазмы железа Ы>1023 см" 3.
Такие высокие удельные параметры плазмы, естественно, представляют интерес как в области исследований физики высоких плотностей энергии, так и при разработке источников мощного РИ. В настоящее время достигнут значительный прогресс в понимании физических процессов, ответственных за нагрев плазмы в горячих точках. Например, подробно изложенная в /36/ модель радиационного сжатия, первоначально развитая для плазмы низкоиндуктивной вакуумной искры, может быть с успехом применена и к родственным явлениям — ГТ в быстрых 7-пинчах. Эта модель показывает, что значительную роль в процессе микропинчевания играют энергопотери плазмы в линейчатом излучении многозарядных ионов. В этой модели равновесное состояние пинча достигается при смене режима излучения с объемного на поверхностное. Но в ней имеются и существенные недостатки. Модель радиационного сжатия практически не учитывает влияния оболочечной структуры ионов на величину критического тока Пизе-Брагинского и, вследствие этого, на параметры ГТ. Кроме того, как показано в диссертации, режим квазиравновесия возможен и в оптически тонкой (для непрерывного излучения) плазме. Наконец, можно отметить и неясность в причинах экспериментально зарегистрированной миграции горячих точек вдоль оси пинча /29−32/.
6. В работе /37/ приведены результаты экспериментального исследования пространственной структуры магнитных полей в плазме г-пинчей, свидетельствующие о переключении тока из перетяжки на периферию пинча, наличии радиальных плазменных выбросов в соседних с перетяжкой областях и мощных магнитных полей на кромках выбросов с давлением, превышающим давление, соответствующее полному току через пинч. Отмеченные эффекты, интерпретация которых в рамках электронной МГД (рост электросопротивления и тепловой взрыв) представляется фрагментарной, также требуют своего объяснения.
7. В последние годы бурно развивается рентгеновская микролитография, с помощью которой обеспечивается изготовление микросхем с субмикронными размерами структур. Вследствие этого особый интерес, с точки зрения высокой интенсивности мягкого РИ при сравнительно малых размерах и дешевизне, представляют лазер-плазменные и пинчевые источники. Учитывая же сравнительную простоту получения и высокий коэффициент преобразования запасенной электрической энергии в тепловую энергию плазмы, именно 2. пинч представляется более привлекательным в качестве необходимого малогабаритного и дешевого источника мягкого РИ. Но в отличие от лазер-плазменного источника или Х-пинча, изначально являющихся «точечными», Е-пинч представляет собой протяженный линейный объект с достаточно хаотическим вкраплением горячих точек. Ясно, что без фиксации в пространстве горячей точки, 2-пинч мало пригоден не тлько для микролитографии, но и для других прикладных целей, в частности, для рентгеновской микроскопии, исследования констант уравнений состояния и пробегов излучения. В /38/ фиксация достигается внесением возмущения в начальную геометрию нагрузки. Однако при этом возникают и другие ГТ.
Следует заметить, что решение задачи по созданию точечного источника на Т.- пинче актуально и для разработки методики рентгеновского зондирования плазмы самого пинча. Известно /39/, что теневое фотографирование в РИ — это один из стандартных методов в диагностике динамики, однородности, стабильности имплозии мишеней в экспериментах по ЛТС. Но прямое применение лазер-плазменного источника РИ для диагностики Ъпинча оказывается сложным из-за отсутствия жесткой синхронизации работы лазера и электрофизической установки. Можно отметить определенные успехи в создании аналогичной диагностики плазмы Тпинча с использованием конфигурации Хпинчей на Рс1- и Мопроволочках, включенных последовательно в цепь Тпинча и обеспечивавших пространственное 1−5 мкм и ~1 не временное разрешение /40/. Однако в конфигурации Х-пинча, как известно /41/, присутствуют аксиальные потери (струи, «разбегание» горячих точек и т. д.), затрудняющие фиксацию горячей точки, возникающей в месте пересечения проволочек. Исходя из этого, ясно, что для диагностики 2-пинча требуется методика, основанная на точечном источнике РИ, свободная от указанных недостатков и которая может быть синхронизована с основным объектом изучения — плазмой 7, — пинчей.
8. В два последние десятилетия интенсивно велись исследования, направленные на создание лазеров мягкого рентгеновского диапазона. Среди возможных схем создания инверсии в плазме многозарядных ионов /42/ одной из наиболее перспективных считалась резонансная фотонакачка верхнего рабочего уровня ионов одного сорта излучением линий ионов другого сорта с опустошением нижнего лазерного уровня за счет радиационного распада /4244/. Уже в 80-х годах эта схема была реализована в ряде зарубежных экспериментов /45−47/, в которых для создания плазмы активной среды и лампы использовано либо только излучение мощных лазеров, либо их излучение в комбинации с электрическим разрядом. Необходимые мощности энерговклада в плазму активной среды с линейным размером в несколько миллиметров при поперечном в сотни микрон /48,49/ предъявляют высокие требования к энергетике наносекундных лазерных установок видимого диапазона на уровне десятков или даже сотен килоджоулей. В этой связи по-прежнему актуальными представляются поиски создания альтернативных лазерных сред. Учитывая высокие энергетические возможности электрофизических установок, весьма заманчивым представляется использование Ъпинчей в качестве источника излучения и активной среды, позволяющих вложить в плазму требуемую энергию /48/. Основные усилия в этом направлении сосредотачивались на исследовании схемы рентгеновских лазеров (РЛ) с резонансной фотонакачкой в конфигурации 2-пинчей /11/. В этой связи представлялось актуальным, по крайней мере в начале 90-х годов, выяснение возможности использования Тпинчей для создания РЛ с резонансной фотонакачкой с использованием пар ионов /44/.
В ряде публикаций /50−53/ отмечается значительное усиление интереса к использованию быстрых генераторов тока для реализации схем РЛ со столкновительной или рекомбинационной накачкой в плазме капиллярного разряда. В этом случае схема лазера значительно упрощается: отсутствует «лампа», а инверсия населенностей создается не в спинчевавшейся, а в разлетной плазме, стабилизированной стенками капилляра. Так в работе /52/ сообщалось о первых демонстрационных экспериментах по реализации больших усилений (к+1=7,2, где к± коэффициент усиления, Iдлина активной среды) линии перехода ]=0−1 1Ме-подобного иона аргона в плазме, полученной быстрым разрядом тока -38 кА с полупериодом 60 не в капилляре 04 мм и длиной 12 см, заполненном аргоном или смесью аргона с водородом при низких давлениях. В работах /50−53/ представлялись результаты спектроскопических исследований плазмы капиллярного разряда в полиэтилене и полиацетате. При этом, согласно /50/, использовался генератор тока амплитудой до 60 кА, передним фронтом 50 не и напряжением до 40 кВ. Диаметр капилляра и его длина составляли 1 мм и 1 см соответственно, электронная плотность плазмы разряда была (1,3−2)-1019 см" 3 при температуре 60−65 эВ. В эксперименте отмечено резкое увеличение интенсивности линии перехода 3−2 иона С VI после прохождения максимума тока. В работе /53/ сообщалось о результатах экспериментов по быстрому разряду в полиэтиленовом капилляре диаметром 1,2 мм и длиной 16 мм. Спустя 40 не после достижения максимума тока был зарегистрирован лазерный эффект на переходе 3−2 иона С VI с коэффициентом усиления к+=2,8 см" 1. При этом инверсия населенностей уровней этих ионов достигалась в холодных периферийных слоях рекомбинирующей плазмы с электронной температурой Те=13 эВ. В работах /54,55/ сообщается о проведении экспериментов по изучению плазмы короны, образующейся при взрыве углеродной нити 033 мкм и длиной 2,3 см на генераторе MAGPIE (ток 1,8 МА с шириной фронта 150 не). В экспериментах /56/ зарегистрирован лазерный эффект в плазме короны (-0100 мкм, пе~Ю20 см" 3 и Те~5 эВ), образовавшейся при взрыве углеродной нити на малой установке с током 10−20 кА, напряжением 20 кВ и периодом 4,8 мкс. Все это свидетельствует об определенном интересе к рекомбинационной схеме лазера.
В этой связи представлялась актуальной оценка условий создания инверсии населенностей уровней Н-подобных ионов углерода при разряде сильноточных генераторов тока на капилляры.
Таким образом, при обзоре литературы выявлены отдельные не совсем понятные или вообще неясные вопросы и явления физики быстрых Zпинчей, результаты исследований по которым и легли в основу диссертации. Они охватывают практически все стадии пинча: от электровзрыва проволочки и до образования горячих точек.
В первой главе диссертации (п.п. 1.1−1.3) развита простая полуэмпирическая модель электровзрыва проволочки (нагрузки генератора тока) и сформулирована система оценок параметров плазмы Zпинча, связывающая между собой параметры импульса тока и нагрузки генератора с образующейся плазмой. Подобная модель, по существу, представляющая инженерные методы расчета, необходима как при выборе типа и параметров нагрузки в планирующихся экспериментах, так и при интерпретации их результатов.
Модель включает в себя стадии собственно взрыва, разлета продуктов взрыва, установления беннетовского квазиравновесия плазмы (с учетом радиационных потерь в непрерывном и линейчатом спектрах) и, наконец, ее пинчевания. Оценивается величина критического тока (аналог тока Пиза-Брагинского в водородной плазме) для плазмы многозарядных ионов. Приведены оценки возможности получения плотной высокотемпературной плазмы при электровзрыве проволочки импульсом линейно нарастающего со временем тока при различных скоростях его роста, диаметре и составе проволочки. Результаты оценок проанализированы по отношению к имеющемуся во ВНИИТФ ускорителю СИГНАЛ /19/, характеризуемого запасаемой энергией -20 кДж, напряжением ~300 кВ и временем нарастания 30−80 не тока до максимального -200 кА значения в нагрузке. С учетом различного поведения плазмы легких и тяжелых элементов по отношению к выходу излучения /8/ оптимизированы параметры проводника и его состав.
В п.п. 1.4−1.5 этой главы уточняются процессы, протекающие на начальной стадии электрического взрыва тонких проволочек, на примере алюминиевой проволочки (020−40 мкм), помещенной в межэлектродный промежуток сильноточного генератора /57−59/. Значительное внимание уделено процессам, протекающим на начальной стадии электровзрыва: переход металл-^холодная плотная плазма, разлет плазмы, конкуренция охлаждения и джоулева нагрева ее передних слоев. В конечном итоге эти процессы приводят к своеобразной «паузе тока», длящейся 10−30 не (вплоть до завершения формирования токовой оболочки) и обусловленной низкой проводимостью продуктов взрыва проволочки. Скинирование тока и тепла в разлетающейся плазме приводят к образованию горячей разреженной короны и холодного плотного керна пинча /57/. Вычисляются параметры плазменной короны. Для этого используются условия: равенство давления магнитного поля давлению плазмы, равенство мощностей джоулева нагрева плазмы ее излучательным потерям, равенство падения напряжения на плазме короны напряжению в диоде. Для упрощения оценок предполагается, что ускоритель обеспечивает линейный рост и спад напряжения. С целью распространения результатов анализа на ускорители типа РВРА-г /60/ (СНЛ, США) процесс электровзрыва проволочек анализируется для максимального напряжения от 300 кВ до 3 МВ с шириной фронта нарастания от 10 не до 50 не. Модель формирования плазменной короны пинча обобщена на другие металлы.
В п. 1.6 оценивается влияние высокочастотных колебаний плазменной короны на регистрирующую аппаратуру /59/. Для короны пинча, образующейся из десорбирующихся при нагреве проволочки газов, возможно возникновение быстрых осцилляции относительно холодного плотного керна. Они приводят к осцилляции тока с частотой -250−500 Мгц, которые могут привести к генерации электромагнитных полей, вызывающих модуляционные эффекты на электронных блоках регистрирующей аппаратуры с той же частотой.
Во второй главе диссертации рассматриваются вопросы формирования начальных возмущений плазменной короны пинча и физические явления, сопутствующие развитию перетяжки.
В п. 2.1 данной главы впервые рассматриваются условия возникновения и раскачки мелкомасштабной аксиальной неустойчивости электронной температуры и величины среднего заряда ионов в однородном столбе равновесной плазмы многозарядных ионов стационарного электрического разряда. С этой целью линеаризуются уравнение баланса энергии электронов в неподвижной, невязкой, неизлучающей плазме и уравнения ее кинетики и находятся выражение для инкремента неустойчивости Г1(с" 1)= 2,7−1011 (рк/Т0)½1/2/Азм при 101Ор^/Т02А½=к1"к<103, где число эквивалентных электронов в состоянии с главным квантовым числом п, кволновое число, р (г/см3) — плотность плазмы, Т0(эВ) — невозмущенное значение температуры плазмы, Аатомный вес. При этом возмущение температуры или плотности в плазме пинча представляет собой волну частоты Q1=3,2−106(T0/A)½k, распространяющуюся в продольном направлении с фазовой скоростью v (cm/c)=3,2−106(T0/A)½. Этот механизм может обеспечивать повышенную начальную концентрацию возмущений в одной из частей пинча.
Отмечается согласие в теоретических оценках характерного масштаба неоднородностей и скорости их перемещения с экспериментальными данными и высказывается предположение о том, что эти возмущения могут служить начальными для развития перетяжечной неустойчивости /61,62/.
В п. 2.2 проанализирована ее роль как начального возмущения в формировании и развитии крупномасштабной магнитогидродинамической неустойчивости перетяжечного типа, ведущей в конечном итоге к образованию ограниченного числа горячих точек. Перерастание такого рода неустойчивости в МГД неустойчивость численно моделировалось с помощью двумерной программы MAG. В результате подтверждено, что на возмущениях температуры, из-за различия в давлении плазмы, возникает МГД неустойчивость. Каверна неустойчивости достигает оси, порождая горячую точку.
В п. 2.3 обосновывается возможность генерации мощного вихревого электрического поля в пинче /63/, возникающего в отличие от /35/ не при обрыве перетяжки, а при ее схождении к оси пинча (в соответсвии с обобщенным законом Ома и законом индукции Фарадея). Инерциальный дрейф заряженных частиц в скрещенных магнитном и переменном во времени электрическом полях приводит к возникновению плазменных струй, которые могут зашунтировать перетяжку и вытесненить ток из ее глубины на периферию пинча. Вычисляются характерные напряженности электрических полей и показывается, что их величина может быть достаточна для появления группы надтепловых ионов и электронов с энергий, превышающей энергию, которую они могли бы приобрести в поле ускорителя. Возможно, этим объясняется жесткое рентгеновское излучение пинча.
В п. 2.4 для случая оптически тонкой плазмы многозарядных ионов (в непрерывном излучении) анализируется сжатие плазмы пинча магнитным полем тока, превышающего критический, и выявляется механизм, препятствующий его безграничному сжатию, заключающийся в появлении частичного запирания излучения в плазме при увеличении ее плотности. Найдены зависимости квазиравновесных радиуса и плотности пинча от температуры плазмы и величины кртического тока, носящие пикообразный характер, обусловленный изменением мощности излучения при вскрытии и опустошении очередных электронных оболочек ионов с изменением температуры. Эти зависимости применены к определению параметров плазмы в перетяжках пинча /64/. Найденные величины находятся в удовлетворительном согласии с экспериментальными результатами.
В п. 2.5 данной главы впервые рассмотрены возможность генерации спонтанного магнитного поля (СМП) в плазме перетяжки, согласно уравнению индукции в виде ЗН/^ «0,1[VneVT]/zne (Гс/нс), где гсредний заряд ионов, Т (эВ) — температура плазмы, пе (см» 3) — электронная плотность, и его роль в эффекте ее миграции /65/.
Хотя возможность генерации спонтанного магнитного поля в плазме лазерных мишеней обсуждается длительное время /95/, вплоть до настоящего времени этот эффект не отмечен в работах по г-пинчам. В то же время, по нашему представлению, одно из наиболее естественных объяснений осевого движения перетяжек может быть связано с генерацией в области перетяжки пинча СМП, возникающего из-за неколлинеарности градиентов плотности и температуры плазмы. Обусловленное этим нарушение равновесия между давлением плазмы в перетяжке и давлением суммарного магнитного поля: спонтанного и собственного поля тока, текущего по пинчу может служить причиной миграций ГТ вдоль оси пинча. По аналогии с волнами на поверхности жидкости вычисляется скорость аксиального перемещения перетяжки У (см/с) ~.
3,7 Ю10ио (г/ПеА)0,5/6 в зависимости от суммарного тока пинча ^(А), атомного веса элемента, А и диаметра перетяжки с!(см).
Косвенным подтверждением возможности генерации СМП могут служить результаты экспериментов /37/, свидетельствующие о наличии на сравнительно ранней стадии развития пинча (до появления вспышки рентгеновского излучения) в достаточно холодной плазме мощных магнитных полей с давлением, превышающем давление, соответствующее полному току через пинч.
Третья глава диссертации посвящена возможности разработки рентгеновских лазеров на г-пинчах. К настоящему времени данные результаты, возможно, имеют лишь методическое значение, поскольку создан ряд программ численных расчетов, моделирующих процессы создания плазмы и накачки активной среды лазера (во ВНИИТФ наиболее развитой программой является программа поуровневой кинетики ТАРАН). Тем не менее, не теряют своей актуальности и качественные методы, позволяющие получать физически разумные результаты.
Не останавливаясь на рассмотрении вопросов, связанных с физической схемой рентгеновских лазеров, параметрами разрядного контура, исходных газовых струй и неустойчивостью пинчей, в диссертации анализируется кинетика активной среды лазера с резонансной фотонакачкой Нподобных ионов С VI излучением ионов С1 XV и отмечается вытекающее из этого анализа препятствие к реализации этой схемы (п. 3.1). Суть его заключается в том, что необходимый ионный состав плазмы активной среды лазера (с преобладанием Нподобных ионов углерода) не достигается за время, сравнимое с характерным временем жизни 7. пинча, вследствие чего не достигается необходимый уровень инверсии населенностей и значение коэффициента усиления излучения. Этим, возможно, и объясняется то обстоятельство, что несмотря на многолетние исследования, результаты работ в этом направлении представляются достаточно скромными /66/, что обусловливается, видимо, как МГД-неустойчивостями самих пинчей, так и трудностями в синхронизации режимов работы рентгеновской лампы-накачки и активной среды /50/. Здесь не отмечаются другие недостатки данной схемы, поскольку даже эффект обеднения верхнего лазерного состояния за счет ступенчатой ударной ионизации делает эту схему лазера бесперспективной.
В п. 3.2 диссертации представлены результаты оценок условий получения инверсии населенностей уровней Нподобных ионов углерода в плазме капиллярного разряда /67/, которые показывают, что при разряде генератора с амплитудным значением тока <100 кА и шириной фронта нарастания <15 не на полиэтиленовый капилляр диаметром <1,4 мм можно ожидать генерации рентгеновского лазерного излучения в плазме ионов углерода с коэффициентом усиления <3 см" 1 в линии А=18,2 нм. Правда, при этом требуется, чтобы на стадии разлета плазмы ток генератора был выключен, практически, «мгновенно» .
В четвертой главе впервые представлены результаты прямого экспериментального исследования (на установке СИГНАЛ) динамики плазмы Z-пинчей и параметров горячих точек, а также их интерпретация в рамках развитых в диссертации представлений. Эксперименты по взрыву тонких алюминиевых и составных (W-Al-WW-Si02-W) проволочек диаметром 2030 мкм при амплитуде тока в нагрузке до 220 кА с характерным временем нарастания ~50 не были проведены в 1995;1997гг. Для экспериментов изготавливались цилиндрические мишени с высокой степенью начальной симметрии (отклонение радиуса от заданного < 1%).
В п. 4.1 данной главы приводится краткое описание экспериментальной установки и ее диагностического комплекса с акцентом на рентгеновские и оптические фотохронографы и предоставляемые ими возможности в регистрации излучения плазмы пинча /22/. Одной из основных задач диагностики плазмы Z-пинча является пространственно-временная регистрация плазменного шнура, позволяющая исследовать его эволюцию. На установке СИГНАЛ эта задача решается с использованием измерительной аппаратуры двух типов: многокадровых фоторегистраторов двумерных изображений (лупа времени) и фоторегистраторов с щелевой разверткой одномерных изображений во времени (стрик-камера). Помимо этого, для решения задач диагностики плазмы, характеризуемой изменением ее параметров в широких пределах, установка СИГНАЛ оснащена различными типами спектрографовкалориметрамикамерами-обскурами и т. п.
Основные направления экспериментальных исследований связывались с изучением динамики плазменного шнура и горячих точек пинча, определением их параметров, генерации спонтанных магнитных полей, перерастанием мелкомасштабной ионизационно-тепловой неустойчивости в крупномасштабную гидродинамическую /22/.
В п. 4.2 представлены основные результаты фотохронографического (в оптическом и рентгеновском диапазоне длин волн излучения) исследования динамики плазменного шнура и горячих точек, а также также их интерпретация в рамках развитых в диссертации представлений. В целом, совокупность экспериментальных данных по регистрации рентгеновского и оптического излучений пинчей сводится к следующему.
Разлет плазменного шнура, образовавшегося при электровзрыве алюминиевой проволочки, происходит с примерно постоянной скоростью v1=(1−4)-106 см/с до диаметра Ф=0,15−0,5 мм, после чего в нем наблюдается развитие перетяжек, достигающих минимального диаметра е)2=0,1−0,3 мм. В итоге (в квантах РИ с энергией >0,2 кэВ) формируется до десятка ГТ с временем жизни 2−15 не и продольным размером 0,2−2 мм. В области РИ с энергией квантов >3 кэВ как длительность излучения ГТ, так и размеры светящихся областей существенно меньше (<2 не, <0,2 мм). При этом вдоль оси плазменного шнура могут одновременно существовать несколько ГТ. Оценки мощности излучения ГТ дают 25−100 мДж/нс в тормозном спектре и 10−30 мДж/нс в линейчатом. Оценки мощности излучения из плазменного шнура показывают, что средняя температура плазмы в нем <40 эВ. Скорость разлета перетяжки после ее отражения от центральной части пинча составляет у3=(2−3)Ю6 см/с. В ряде случаев наблюдалось повторное сжатие плазмы в том же сечении пинча. Полная энергия плазмы пинча от опыта к опыту изменялась весьма значительно и составляла 330−1200 Дж.
В п. 4.3 диссертации изложены результаты экспериментальных исследований горячих точек, образующихся при взрыве тонких А1-проволочек /68−70/. Диаметр основного плазменного шнура, измеренный по обскурограммам нескольких экспериментов, находится в пределах 140−250 мкм. Электронная температура ГТ, определенная по результатам обработки линейчатого спектра, составляет 0,4 кэВ, а по наклону сплошного спектра — 0,50,9 кэВ. Характерная плотность плазмы ГТ составляет 0,25−0,5 г/см3. Параметры плазменных точек, полученные с помощью рентгеновских методов, обсуждаются в рамках модифицированной модели радиационного сжатия /69,70/, разработанной автором.
П. 4.4 данной главы посвящен результатам фотохронографического исследования взрыва тонких алюминиевых проволочек в диоде сильноточного генератора, которые свидетельствуют о генерации спонтанных магнитных полей в области перетяжки пинча /71/. Направление движения перетяжки (в направлении от катода к аноду или от анода к катоду) существенным образом зависит от характера взрыва нагрузки: с образованием холодного плотного керна и горячей разреженной короны (при взрыве проволочки) или без их образования (разряд на газовые струи). При быстром взрыве проводника образуется горячая разреженная плазменная корона и холодный плотный керн. При стягивании перетяжки к поверхности холодного керна ее центральная часть охлаждается, а края движутся вдоль его поверхности в разные стороны от центральной части, постепенно охлаждаясь. На представленной рентгеновской фотохронограмме можно видеть, как горячая точка расщепляется на две, движущиеся в противоположных направлениях с разными скоростями, обусловленными влиянием СМП. При экспериментально определенной величине скорости /~2,5Ю7 см/с горячей точки, характерном диаметре с1~10″ 3 см и плотности пе ~ 1023 см'3 холодного ядра суммарный ток ^ в плазме Не-подобных ионов алюминия ^-3,4−105 А, что значительно превышает величину тока в пинче и~200 кА, характерную для описываемых в диссертации экспериментов.
В п. 4.5 данной главы приводятся результаты исследования перерастания ионизационно-тепловой неустойчивости в перетяжечную /22,72,73/. На представленных оптических фотохронограммах развертки процесса взрыва нагрузки можно видеть, что уже на первых наносекундах взрыва, когда гидродинамика еще «не работает», прослеживается мелкомасштабная неоднородность излучения мишени, связанная с неоднородностью температуры плазмы по ее длине. По мере развития процесса происходит рост масштаба возмущений с последующим развитием на их основе крупномасштабной сосисочной неустойчивости. При этом развивается ограниченное число ГТ, что хорошо просматривается на соответствующей рентгеновской фотохронограмме.
В пятой главе диссертации представлены результаты расчетно-экспериментального исследования электровзрыва составной нагрузки, которая предложена автором с целью фиксации горячей точки пинча.
В п. 5.1 представлены оценки возможности двух способов фиксации в пространстве горячей точки Ъпинча: внесение начальных возмущений либо в геометрию однородной проволочки (начальная перетяжка), либо в ее плотность. Во втором случае необходима составная нагрузка, центральная часть которой выполнена из одного материала, а концы — из другого. Тот и другой случаи ведут к разновременности пинчевания различных участков плазменного шнура (ПШ). Если пинчевание центральной части ПШ наступает к моменту достижения амплитудного значения тока, то можно ожидать генерации практически единственной горячей точки. Результаты оценок указывают на предпочтительность второго способа, предполагающего использование в качестве нагрузки генератора составной проволочки, выполненной из разноплотных материалов.
В п. 5.2 данной главы содержатся предварительные результаты экспериментов, направленных на исследование характеристик горячей точки, возникающей при взрыве тонкой составной (Л/-А1-Л/, Л/-8Ю2-Л/) проволочки двухпиковым импульсом тока установки СИГНАЛ /74,75/, и их расчетно-теоретическая интерпретация. На представленных в диссертации рентгеновских и оптических фотохронограммах 7-пинча хорошо видно, что, в соответствии с оценками, на месте А1-вставки возникает горячая область.
В п. 5.3 приведены результаты фотохронографического (в рентгеновском и оптическом диапазонах) и спектроскопического исследования образования горячей точки в плазме составной нагрузки (Л/-8Ю2-У/, N-A-VI), взрывающейся однопиковым импульсом тока /76,77/. Согласно полученной информации на месте алюминиевой или кремниевой вставки возникает горячая точка с характерным линейным размером в доли мм, светящаяся в диапазоне мягкого РИ в течение -1−3 не. Данные спектроскопии позволяют оценить температуру ~0,4 кэВ и плотность плазмы пе~1023см" 3.
В п. 5.4 данной главы по программе ЭРА проведен численный анализ влияния скорости нарастания тока (2−7)-1012 А/с с максимумом 200кА в составной (N-AAN) нагрузке 020 мкм на параметры образующейся плазмы. В физико-математической модели программы учтены двухтемпературная газовая динамика с вязкостью и теплопроводностью, диффузия магнитного поля, замагниченность коэффициентов переноса, перенос излучения в спектральном диффузионном приближении, кинетика населённости уровней в радиационно-столкновительном приближении. Уравнения состояния рассчитывались в приближении идеального газа с учётом потерь энергии на ионизацию.
Из результатов расчета можно заключить, что лучшим (по выходу излучения и ширине импульса) является импульс тока с шириной фронта нарастания ~ 30−50 не. Отмечены недостатки физико-математической модели пинча, заложенные в программу ЭРА. Предложены возможные варианты нагрузок (Л/-8с-Л/, Л/-КЬ-Л/ или Л/-8г-У/) для увеличения мощности излучения горячей точки пинча.
В заключение сформулированы основные результаты и выводы диссертации.
Результаты исследования могут быть использованы при:
• совершенствовании кодов численного моделирования г-пинчей;
• конструировании многопроволочных лайнеров для установок мультимегаамперного уровня;
• создании рентгеновских лазеров в короне пинчей;
• создании точечного источника рентгеновского изллучения.
Мощность рентгеновского излучения, выходящего из плазмы вставки, может быть повышена при использовании таких металлов как Бс, КЬ, Эг, атомы которых ионизируются, в отличие от атомов алюминия, лишь до 1-, Моболочек.
В заключение необходимо отметить следующее. Благодаря вовлечению в выполнение работ по проекту МНТЦ № 009−95 большого коллектива сотрудников ВНИИТФ, ВНИИЭФ и НИИИТ оказалось возможным в короткие сроки модернизировать установку СИГНАЛ, разработать и оснастить ее необходимой диагностической аппаратурой, провести экспериментальные исследования.
В модернизации установки СИГНАЛ и доведении ее до уровня, позволившего провести запланированные экспериментальные исследования, несомненна роль Гафарова A.M., Абрамова И. А., Осташева В. И. и к.т.н. Ковалева В. П. со своими сотрудниками. В обработке спектроскопических данных значительна роль к.ф.-.м.н. Подгорнова В. А. и Потапова A.B.- в проведении численных расчетов (программы ЭРА и MAG) -Карлыханова Н.Г. и к.ф.-м.н. Диянкова О. В. с сотрудниками.
Исключительно велики заслуги таких сотрудников ВНИИЭФ как д.ф.-м.н. Муругов В. М., к.ф.-м.н. Сеник A.B., к.ф.-м.н. Петров В. И., Лазарчук В. П., Литвин Д. Н. в оснащении установки СИГНАЛ регистрирующей аппаратурой (оптические и рентгеновские фотохронографы, калориметры и спектрографы), а также в получении (совместно с ВНИИТФ) большинства значимых экспериментальных данных.
Без участия в работе к.т.н. Воронова Б. Ф., Славнова Ю. К., Захарова А. Е. и ряда других сотрудников НИИИТ было бы невозможным оснащение установки электронно-оптическими регистраторами СФЭР6 и СХР4.
Всем им автор выражает свою глубокую благодарность.
Список работ автора, вошедших в диссертацию.
1. Бакулин Ю. Д., Лучинский А. В., Афонин В. И. Расчет сжатия Д-Т смеси электрически взрывающейся цилиндрической оболочкой. //Журнал прикладной механики и технической физики. 1980, № 2.
2. Афонин В. И., Крюченков В. Б. О лазер-плазменном источнике МРИ. //Тезисы 5-го Всесоюзного совещания по диагностике высокотемпературной плазмы. Минск, 1990.
3. Афонин В. И. О параметрах равновесия пинча в модели радиационного сжатия. //Физика плазмы. 1994. Т20.С.344.
4. Афонин В. И. Ионизационно-тепловая неустойчивость в плазме многозарядных ионов Zпинча. //Физика плазмы. 1995. Т.21.С.267.
5. Афонин В. И. О миграции плазменных точек в Z-пинче. //Физика плазмы. 1995. Т.21. С. 648.
6. Afonin V.I., Petrov S.I., Lazarchuk V.P., Murugov V.M., Senik A.V., Berkovskii A.G., Gubanov Yu. I., Pryanishnikov I.G., Kislitskaya G.N. Recording of the Space-Time Structure of Z-Pinch X-Ray Radiation in the Spectral Range of 0,1−10keV. //22nd Int. Congress on High-Speed Photography and Photonics, 1996, Santa Fe, USA. Abstracts, p. 105.
7. Afonin V.I., Gafarov A.M., Kovalev V.P., Lazarchuk V.P., Ostashev V.I., Petrov S.I., Potapov A.V. Research of Generation Mechanism of Plasma Points in Z-pinch. //Proc.11- th lnt.Conf." BEAMS-96″. Prague, 1996, vol.2, p. 691.
8. Afonin V.I., Murugov V.M., Voronov B.F., Zakharov A.E., Ponomarev S.V., Senik A.V. Generation of Plasma Points in Plasma of Multicharged Ions of Fast Z-pinch. //Proc. 11-th Int. Conf. «BEAMS-96». Prague. 1996, vol.2, p.701.
9. Afonin V.I., Diyankov O.V., Glazyrin I.V., Koshelev S.V. On the lonization-Temperature Instability Role in Z-pinch Hot Spots Generating. //Proc.11-th lnt.Conf." BEAMS-96″. Prague, 1996, vol.2, p. 697.
Ю.Афонин В. И., Лазарчук В. П., Петров С. И., Потапов А. В. Исследование параметров плазменных точек в Zпинче. //Физика плазмы. 1997. Т. 23. С. 1002.
11. Афонин В. И., Муругов В. М., Пономарев С. В., Сеник А. В. О возможном механизме генерации плазменных точек в плазме многозарядных ионов быстрого Z-пинча. //Физика плазмы. 1997. Т. 23. С. 1008.
12. Afonin V.l., Murugov V.M., Lazarchuk V.P., Potapov A.V., Senik A.V. About Plasma Points' Generation in Z-Pinch. //Dence Zpinches, Proc. 4-th Int. Conf., Vancouver, AIP, N.Y., 1997, p.329.
13. Афонин В. И., Муругов В. М. Экспериментальное исследование динамики горячих точек в Z-пинче, образованном при взрыве проволочки. //Физика плазмы. 1998. Т. 24. С. 363.
14. Афонин В. И., Муругов В. М., Потапов A.B., Сеник A.B. О генерации плазменных точек в Z-пинче. //Физика плазмы. 1998. Т. 24. С. 503.
15. Афонин В. И., Гафаров A.M., Подгорнов В. А., Пономарев С. В, Лазарчук В. П., Литвин Д. Н., Сеник A.B. Экспериментальное исследование процесса генерации горячей точки в быстром Zпинче. //Тезисы международной конференции «V Забабахинские научные чтения», с. 91, г. Снежинск, 1998.
16. Афонин В. И., Абрамов И. А., Гафаров A.M., Пономарев В. И., Лазарчук В. П., Литвин Д. Н., Сеник A.B. Экспериментально-теоретические исследования плазмы быстрых Zпинчей на установке СИГНАЛ. //Тезисы международной конференции «V Забабахинские научные чтения», с. 79, г. Снежинск, 1998.
17. Гафаров A.M., Ковалев В. П., Афонин В. И. Сильноточная установка СИГНАЛ с плазменным размыкателем. //Тезисы международной конференции «V Забабахинские научные чтения», с. 106, г. Снежинск, 1998.
18. Афонин В. И. Начальная стадия электровзрыва тонкой проволочки в диоде сильноточного ускорителя. //Тезисы международной конференции «V Забабахинские научные чтения», с. 92, г. Снежинск, 1998.
19. Афонин В. И. О генерации вихревых электрических полей в перетяжке пинча. Препринт РФЯЦ-ВНИИТФ. № 155, г. Снежинск, 1999.
20. Афонин В. И. К вопросу об образовании короны и керна Zпинча. Препринт РФЯЦ-ВНИИТФ. № 156, г. Снежинск, 1999.
21. Афонин В. И. К интерпретации экспериментов по рекомбинационной накачке водородоподобных ионов углерода плазмы капиллярного разряда. Препринт РФЯЦ-ВНИИТФ, № 157, г. Снежинск, 1999.
22. Афонин В. И. Начальная стадия электрического взрыва тонких проволочек в диоде сильноточного ускорителя. //Физика плазмы. 1999. Т. 25. № 7.
23. Афонин В. И., Литвин Д. Н., Подгорнов В. А., Сеник A.B. Экспериментальное исследование процесса генерации горячей точки в плазме Zпинча. //Физика плазмы. 1999. Т. 25, № 8.
24. Афонин В. И. О генерации вихревых электрических полей в полости перетяжки пинча. //Физика плазмы. 1999. Т. 25 (в печати).
Заключение
.
Несмотря на полувековой период исследования Т.- пинчей, вплоть до настоящего времени не существует их полной физико-математической модели. Причиной этому является колоссальная сложность процессов, протекающих на различных стадиях взрыва нагрузки и линчевания плазмы. Нагрев металла, его плавление, процессы вскипания и парообразования, переход от металлической проводимости к плазменной, расширение паров металла и их пробой — вот далеко не полный перечень важнейших процессов, имеющих место только на начальной стадии электровзрыва проводника. В то же время их учет совершенно необходим, например, при прогнозировании результатов сжатия проволочных сборок на установках мультимегаамперного уровня, поскольку эффективность имплозии лайнеров определяется, в частности и тем, как быстро на месте отдельных проводников возникнет однородная цилиндрическая плазменная оболочка и какая доля вещества проводника перейдет в плазменную корону. Только перечень необходимых уравнений и постановка соответствующих граничных условий для всех стадий Ъпинча могли бы занять не одну страницу текста, не говоря уже о математических сложностях решения подобной задачи.
Однако трудности разработки необходимой физико-математической модели обусловливаются не только сложностью учета известных процессов, но и открытием новых эффектов и явлений в Ъпинчах, в их образовании и эволюции. Ясно, что без понимания механизмов этих явлений и сути протекающих процессов невозможно создание их физико-математической модели и последующее компьютерное моделирование.
