Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ “МИФИ”

Кафедра № 21

“Зондовый метод исследования магнитных полей внутри плазмы сжимающихся лайнеров”

Студентка Птичкина Е.А.

Руководитель Митрофанов К.Н.

Содержание

Содержание 2

1.1.Экпериметальный комплекс “АНГАРА-5-1” 9

Одним из основных вопросов при исследованиях физики имплозии и ускорения лайнеров для ИТС [1, 2] является вопрос о параметрах токовой оболочки. Пространственное распределение массы и тока на стадии ускорения плазмы определяет эффективность концентрации энергии на оси и, в конечном счёте, временной профиль и мощность импульса мягкого рентгеновского излучения (МРИ), требующегося для сжатия термоядерной мишени [3]. Поскольку магнитное поле проникает внутрь лайнера вместе с веществом, некоторую необходимую информацию может дать измерение магнитных полей внутри плазмы. На сегодняшний момент существуют весьма отрывочные экспериментальные данные о поведении магнитного поля внутри объема проволочных сборок во время их имплозии. На различных сильноточных установках предпринимались попытки исследования магнитного поля в таких плазменных нагрузках.

На установке Ангара-5-1 (4 МА, 100 нс, Россия, ТРИНИТИ), по-видимому, впервые начались систематические измерения магнитных полей в плазме вольфрамовых многопроволочных сборок в условиях высоких плотностей мощности излучения до 1 ТВт/см² [4]. В работе [5] показано, что магнитное поле разрядного тока вмораживается в плазму и проникает внутрь проволочной сборки еще на стадии плазмообразования. Зарегистрировано, что ток вначале протекает в отдельных плазменных струях, вытянутых от начального расположения проволок к оси сборки. Из измерений миниатюрными магнитными зондами магнитного поля в 2-х точках по радиусу при помощи МГД-модели имплозии проволочной сборки [6, 7] определена важная характеристика затянутого плазмообразования – интенсивность производства плазмы с поверхности остовов проволок в проволочной сборке в мкг/(см²нс). Для вольфрамовой сборки радиусом 1 см при уровне разрядного тока 1 МА эта величина составляет ≈(0.125-0.18) мкг/(см²нс). Плазменный предвестник, формирующийся в области оси вольфрамовой проволочной сборки на начальной стадии имплозии, несет часть разрядного тока (~15%). Последующие эксперименты на установке COBRA (1 МА, 100 нс, США, Cornell University) по измерению магнитных полей при помощи зондов внутри плазмы алюминиевых проволочных сборок [8] подтвердили результаты экспериментов на установке Ангара-5-1. Подобные эксперименты с применением магнитных зондов проводились и на установке QiangGuang-I (1-1.4 МА, 60 нс, Китай, Northwest Institute of Nuclear Technology) [9].

Одной из слабых сторон проведенных экспериментов на этих установках было малое количество точек регистрации магнитного поля внутри проволочной сборки. С другой стороны, измерения осложняет то, что магнитозондовый метод исследования плазмы является контактным методом, что ведет к возмущениям исследуемого объекта.

В других исследовательских лабораториях были предприняты попытки измерения магнитных полей в проволочных сборках бесконтактным методом путем использования эффекта вращения плоскости поляризации зондирующего лазерного излучения (эффект Фарадея). На установке MAGPIE (1.4 МА, 240 нс, Великобритания, Imperial College) при помощи данной диагностики исследовались параметры токового предвестника вольфрамовой сборки. Было показано, что ток предвестника зависит от количества проволок (или межпроволочного зазора) в сборке и составляет не более 11% полного тока [10]. Вблизи предвестника зарегистрировано магнитное поле на уровне 2 Тл. Тем же методом на установке ZEBRA (1 МА, 100 нс, США, University of Nevada, Reno) проведены измерения магнитного поля на финальной стадии сжатия алюминиевой проволочной сборки [11]. На этой стадии имплозии внешний магнитный поток прорывается внутрь проволочной сборки в тех местах на ее периферии, где закончилось плазмообразование с проволок, тем самым образуя так называемые магнитные пузыри (magnetic bubbles). Основная доля полного тока переключается с периферии проволочной сборки в область ее оси. Данное явление в работе [12] называлось плазменным ливнем. В работе [13] на установке COBRA при помощи эффекта Фарадея измерены магнитные поля выше 10 Тл вне проволочной сборки и до 2 Тл внутри проволочной сборки на стадии производства плазмы (до 40 нс разряда). К сожалению, в упомянутых выше работах использующих эффект фарадеевского вращения плоскости поляризации зондирующего излучения, не были представлены радиальные распределения магнитного поля.

На сегодняшний момент не существует подробных экспериментальных данных о форме и динамике во времени радиального распределения азимутального магнитного поля внутри плазмы проволочной сборки.

Литературный обзор

Развитие в середине 60-х годов прошлого века генераторов электрических импульсов длительностью порядка 100 нс и мощностью  0.01 ТВт было связано с необходимостью получать мощные пучки релятивистских электронов (РЭП), которые использовались например в технике нагрева плазмы [13], для создания мощных источников тормозного излучения (10¹³ Р/с) [14], СВЧ источников мощностью 10⁹-10¹⁰ Вт [15, 16], а также пучков легких ионов в диоде ускорителя [17]. Успехи в этих направлениях в тот период времени обусловили создание новых - более мощных установок (10¹³-10¹⁵ Вт с энергией в импульсе в несколько мегаджоулей). Существенным прорывом в создании генераторов тераваттного уровня были установки “Блэк-Джек-5”, “Proto-II”, “PBFA-I” (модернизация “Saturn”, 8 МА, 40 нс) – США и “Ангара‑5‑1” (3-4 МА, 90 нс [18]) в 1983 году, Стенд 300, ГИТ 16 - Россия, применимых для получения мощных источников рентгеновского излучения, а также для исследований в области термоядерного синтеза. В термоядерном направлении основное внимание уделено созданию импульсного термоядерного реактора и дальнейшему изучению микровзрыва термоядерной мишени. Это направление было начато учеными “ИАЭ им. И.В. Курчатова” (СССР) и “Национальной лабораторией Сандиа” (США) и прошло значительный путь поиска оптимальных подходов для зажигания термоядерной мишени. Вначале, он был основан на применении энергии РЭП для электродинамического обжатия лайнеров передающих свою энергию на мишень (СССР) или на формировании мегаамперных пучков легких ионов (Сандиа, США). Так как физика зажигания мишени инвариантна по отношению к способу подвода энергии к мишени, то и требования на выходные параметры установок (мощность и энергия) в этих обоих случаях должны быть близки друг к другу. По представлениям того периода времени для зажигания мишени требовалась мощность 100-300 ТВт и энергия ~1-3 МДж при длительности импульса 10 нс. Создание мощных источников рентгеновского излучения также требует установок с близкими параметрами.

Следующим этапом стало развитие 2-х основных направлений по дальнейшему увеличению выходной мощности, основанных на физических методах ее обострения:

• обострение мощности рентгеновского излучения в 10-100 раз, получаемого при сжатии ускоренных мегаамперным током лайнеров (лайнерная схема). В СССР и США была предложена идея обжатия термоядерной мишени за счет ее абляции под воздействием мощных потоков мягкого рентгеновского излучения (МРИ) с энергией квантов несколько сотен электрон-вольт;

• бунчировка пучков ионов на мишени (схема нагрева мишени легкими ионами).

С 80-х годов прошлого века генераторы высокой мощности используются для создания горячей (>200 эВ) и плотной (>10²⁰ см^-3) плазмы, которая является мощным источником МРИ. В ГНЦ РФ ТРИНИТИ на установке “Ангара-5-1”, так и в США (Сандиа) начинает развиваться программа быстрого сжатия лайнеров. Основные исследования направлены на увеличение мощности и сокращение длительности импульса МРИ, возникающего при преобразовании энергии сжимающейся плазменной нагрузки, для ИТС и фундаментальных исследований. Переход из микросекундного диапазона длительности нарастания разрядных токов, характерного для классических пинчей, в наносекундный, характерный для мультитераваттных разрядов, обусловил применение сжимаемых объектов малого стартового размера (~1 см). Это существенно расширило возможности независимого выбора таких важных начальных параметров пинча как форма, масса, пространственное распределение плотности и состава, а также агрегатное состояние плазмообразующего вещества.

На первом этапе исследований были проведены опыты по ускорению лайнеров, имеющих начальную проводимость – проволочных сборок, представляющих собой равномерно расположенный по образующим цилиндра набор проволочек малого диаметра (~10 мкм) из вещества с большим Z (медь, алюминий, вольфрам). Количество проволок в этих экспериментах было мало и не превышало 6-24 штук. Уже в первых работах [19, 20, 21, 22] было показано, что до прихода основной массы на ось сборки там появляется плазма, несущая часть разрядного тока (“плазменный предвестник”) и проволочки большую часть времени имплозии находятся на своих начальных местах. Сжатие проволочной сборки носит характер постепенного перетекания вещества проволок на ось с образованием там пинча. При этом получались относительно “длинные” импульсы рентгеновского излучения длительностью в несколько десятков наносекунд (40-60 нс). Максимальная энергия и мощность излучения (энергия квантов >200 эВ) при имплозии вольфрамовой сборки достигала 100 кДж и до 2 ТВт. Одной из причин, обуславливающих такой характер сжатия плазмы на ось проволочной сборки, называлась, в то время, сильная начальная неоднородность распределения массы по окружности сборки.

В последующие годы эта причина обусловила применение в качестве плазмообразующих нагрузок – нагрузки с однородным начальным распределением массы по окружности цилиндра – полые газовые струи (неон, криптон) и гетерогенные пенные цилиндры с различными наполнителями, повышающие излучательные характеристики плазмы (CsJ, KCl, молибден, вольфрам, TiN). В данном случае, плазма приготавливается самим генератором электрической мощности в результате электрического пробоя изначально неионизованного плазмообразующего вещества (“холодный старт”). В ходе опытов на установке “Ангара-5-1” было обнаружено, что процесс пробоя пространственно неоднороден, магнитное поле нарастающего разрядного тока усугубляет начальные неоднородности. В момент пробоя вещества нагрузки происходит филаментация тока по окружности цилиндра (азимутальная неоднородность тока). При “холодном старте” аксиальная неоднородность характеристик лайнерной плазмы может возникать в малоподвижном лайнере, на стадии плазмообразования как следствие азимутальной неоднородности разрядного тока. Неоднородность плазмы, возникающая при “холодном старте” лайнеров из гомогенного (газ) и гетерогенного вещества (пены), есть важный фактор, влияющий на компактность их сжатия и получения коротких импульсов рентгеновского излучения.

В 1988 году была предложена концепция двойного лайнера (“динамический хольраум”) [23] как многообещающий путь для облучения термоядерной мишени. Она позволяет преобразовать кинетическую энергию лайнера в излучение с импульсом, длительность которого значительно меньше длительности импульса генератора. Было проведено теоретическое и экспериментальное исследование динамического хольраума на установке “Ангара-5-1” и первые результаты были представлены в работах [24, 25]. Двойной лайнер - это каскадная система двух коаксиальных лайнеров из веществ с атомным числом Z>>1. После ускорения магнитным давлением, внешний лайнер (полая газовая струя ксенона массой 0.1-0.2 мг/см) ударяется о внутренний (пена агар-агара средней плотностью 10 мг/см³ с добавками молибдена). При ударе возникает тепловое рентгеновское излучение, которое проникает в полость внутреннего лайнера и облучает мишень. Выход излучения в процессе соударения лайнеров составлял около 5-7 кДж. Интенсивность излучения внутренней поверхности полости достигает 3 ТВт/см² с временем нарастания 3-5 нс. Внешний лайнер обеспечивает вклад энергии и, одновременно, препятствует выходу излучения наружу, увеличивая таким образом интенсивность излучения в горячей полости. По разнице интенсивностей рентгеновского излучения внутри и снаружи был продемонстрирован эффект “экранировки” излучения внешним лайнером. Внутренний лайнер служит для остановки сжатия внешней плазмы, преобразования кинетической энергии плазмы в излучение и для гидродинамической изоляции мишени от сжимающейся плазмы внешнего лайнера до ее зажигания. После удара оба лайнера сжимаются вместе из-за инерции и давления магнитного поля, формируется Z-пинч и возникает импульс излучения большой мощности с временем нарастания 5-10 нс, полным выходом излучения около 50 кДж и мощностью 3 ТВт.

После запуска в середине 90-х годов в США новой установки “PBFA-II” (или “Z”) в работах [26, 27] было показано, что на проволочных сборках, состоящих из большого числа проволочек (>100) при токах 20 МА могут быть получены импульсы рентгеновского излучения (>200 эВ) длительностью несколько наносекунд (6‑8 нс), мощностью 280 ТВт и энергией 1.8 МДж. Использование сборок, состоящих из большого количества проволочек состоящих из материалов с большим Z привело к увеличению эффективности конверсии энергии электрического импульса в рентгеновское излучение. Успехи в этой области вызвали в мире новый интерес к исследованию уже многопроволочных сборок, которые ведутся и по сей день.

По современным представлениям для зажигания термоядерной мишени требуется мощность рентгеновского импульса 1000 ТВт и энергия ~10‑20 МДж [28], которые могут обеспечить следующий класс установок “Байкал” (Россия) и “X-1” (США) (50 МА, 100‑300 нс), проектируемых в настоящее время [29, 30]. В настоящее время рассматриваются две перспективные схемы генерации рентгеновского излучения для исследований по облучению термоядерной мишени в установках, использующих Z-пинч [31]:

• схема двойного лайнера (“динамический хольраум”), характеризуется расположением мишени в полости внутреннего лайнера.

• схема, называемая “вакуумный хольраум”, предполагает, что сжатие наружного лайнера происходит до значительно больших степеней, чем в предыдущей схеме. При этом полость хольраума образуется “холодными стенками”, окружающими излучающий пинч. Внутри этой полости расположена мишень.

Преимуществом второй схемы является, во‑первых, возможность избежать потоков плазмы на мишень и, во-вторых, больший коэффициент полезного действия при преобразовании энергии генератора в рентгеновское излучение. К недостаткам этой схемы следует отнести значительные потери излучения на стенках. К достоинствам схемы динамического хольраума следует отнести относительно малую площадь поверхности стен хольраума, а к недостаткам – сложность организации равномерного облучения мишени внутри внутреннего лайнера и влияние потоков плазмы на расположенную в центре мишень.

В работах по исследованию многопроволочных вольфрамовых сборок, проведенных на установках “Ангара-5-1” и “MAGPIE” (1.4 МА, 240 нс, “Империал колледж”, Англия) [32, 33] было показано, что явления, описанные в ранних работах на установке “Ангара-5-1”, имеют место и в сборках, состоящих из большого количества проволочек. В экспериментах при токах 3-4 МА были получены импульсы рентгеновского излучения длительностью 6 нс (мощностью 5 ТВт и энергией от 30 кДж), что указывает на сходство процессов, имеющихся на установке “Ангара-5-1” и “Z”, несмотря на существенное различие токов установок.

В работах [34, 35] предполагалось, что при уменьшении межпроволочного зазора в проволочной сборке и достижении некоторого критического зазора (<0.1 мм) на начальном радиусе расположения проволок образуется тонкая (толщиной со скин-слой) плазменная оболочка, способная компактно сжиматься на ось.

Коллективом установки “Ангара-5-1” была предложена другая модель [36], описывающая эти явления. Определяющим в сжатии многопроволочных сборок является процесс длительного плазмообразования.

Под термином “длительное плазмообразование” понимается наличие в плазме областей с высокой плотностью и размером менее толщины скин-слоя, погруженных в относительно менее плотную токонесущую плазму. При этом скорость образования низкоплотной плазмы из высокоплотной [мкг/(см²с)], приведенная к единице площади проволочного цилиндра, образованного проволоками, является важным параметром, определяющим распределение вещества и магнитного поля при сжатии проволочной сборки. Из-за непрерывного сноса токонесущей плазмы к оси возникает радиальное распределение плазмы с толщиной заметно большей толщины скин-слоя. Образуется плазма, пронизанная током и магнитным полем. Она может быть и не сплошной (в азимутальном направлении) на начальных этапах сжатия. Ускорение такой плазмы к оси системы обеспечивается не действием магнитного поршня на внешнюю границу плазмы проволочной сборки, а объемной силой Ампера , действующей по всей толщине плазмы. Такая конструкция плазменного лайнера, по-видимому, существенно меньше подвержена неустойчивости Релея-Тейлора, по сравнению с тонкими плазменными оболочками толщиной порядка скин-слоя. Распределение магнитного поля и вещества внутри проволочной сборки должны существенным образом определять характер ее сжатия, длительность и мощность генерируемого импульса МРИ. Важными являются вопросы о диффузии и скинировании тока на протяжении всего времени имплозии, о соотношении полного тока, протекающего через Z-пинч и через малоплотную окружающую плазму.

Описание установки и средств диагностики