ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛОТНОЙ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ПЛАЗМЫ В ДИОДАХ НАНОС'ЕКУНДНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ТОКА МЕГААМПЕРНОГО ДИАПАЗОНА
|
Введение 5
ГЛАВА 1. Обзор литературы 18
1. Электрический взрыв проводников 18
2. Интеграл действия 24
3. Скиновый электрический взрыв проводников 27
4. Нелинейная диффузия магнитного поля 34
5. Х-пинчи и источники излучения на их основе 41
6. Получение плотной высокотемпературной плазмы при сжатии
плазменных лайнеров 54
7. Стабилизация сжатия плазмы в двухкаскадной схеме лайнера 61
ГЛАВА 2. Трансформатор тока нагрузки тераваттного генератора МИГ 67
1. Введение 67
2. Описание генератора МИГ 68
3. Конструкция ТТН 71
4. Экспериментальные результаты 74
5. Обсуждение и выводы 79
6. Заключение 81
ГЛАВА 3. Разработка и создание компактных импульсных генераторов тока для работ с Х - пинчами 82
1. Введение 82
2. Конструкция импульсного генератора первого поколения 83
3. Испытания импульсного генератора на индуктивную нагрузку 85
4. Работа импульсного генератора тока на Х-пинч 87
5. Краткая характеристика импульсных генераторов первого поколения 90
6. Модернизированный вариант импульсного генератора - генератор КИНГ 91
7. Методика измерения электрофизических и излучательных характеристик генератора
тока КИНГ 99
8. Исследование характеристик источника излучения на основе Х-пинча на генераторе
КИНГ 102
9. Краткая характеристика генератора КИНГ 105
10. Выводы 105
ГЛАВА 4. Синхронизуемый генератор с Х-пинчем для исследований сжатия многопроволочных Z-пинчей 108
1. Введение 108
2. Описание синхронизуемого генератора х-пинча 110
3. Установка импульсного генератора тока на генераторе Ангара-5-1 112
4. Характеристики СГХ 115
5. Описание системы управления 115
6. Работа СГХ с Х-пинчем. Проверка методики. Рентгеновское зондирование тест-
объектов 117
7. Работа СГХ на установке Ангара-5 -1 121
8. Заключение 125
ГЛАВА 5. Динамика перетяжки в Х-пинчах 127
1. Введение 127
2. Модель перетяжки х-пинча 129
3. Электрический взрыв проводников 130
4. Формирование перетяжки 131
5. Сжатие перетяжки 132
6. Результаты экспериментов 138
7. Обсуждение результатов 141
8. Выводы 143
ГЛАВА 6. Эксперименты с каскадированными лайнерами и их интерпретация 145
1. Сжатие двухкаскадных аргоновых лайнеров на генераторе СНОП-3 145
2. Сжатие двухкаскадных лайнеров на микросекундном генераторе с амплитудой тока
380 кА 152
3. Структура однокаскадного лайнера в ходе его сжатия 159
4. Эксперименты с двухкаскадными лайнерами на генераторе ИМРИ-5 166
5. Сжатие трехкаскадных газовых лайнеров на генераторе ГИТ-12 170
6. Качественные пояснения стабилизации сжатия плазмы при неупругом столкновении
соосных цилиндрических оболочек 175
7. Ускорение внутреннего каскада за счет упругого столкновения с внешним 181
8. Обобщение результатов 184
ГЛАВА 7. Нелинейная диффузия мегагауссного магнитного поля в проводники 186
1. Введение 186
2. Моделирование нелинейной диффузии магнитного поля 187
3. Результаты расчетов коэффициента поверхностной энергии 189
4. Оценки скоростей распространения ударной волны и волны нелинейной
диффузии 193
5. Обоснование экспериментальной методики измерения скорости проникновения
мегагауссного магнитного поля в металл 197
6. Эксперимент 199
7. Регистрация импульса напряжения на внутренней поверхности трубки 201
8. Выводы 205
ГЛАВА 8. Поверхностный взрыв проводников в быстронарастающих мегагауссных магнитных полях 206
1. Введение 206
2. Методика экспериментальных исследований по изучению поверхностного
плазмообразования в быстронарастающих магнитных поля мегагауссного диапазона 209
3. Результаты экспериментов 215
4. Обсуждение экспериментальных результатов 217
5. Анализ экспериментальных результатов в предположении идеальности плазмы...221
6. Потери энергии на джоулев нагрев 223
7. Сравнение результатов экспериментов с данными МГД моделирования 224
8. Выводы 226
ГЛАВА 9. Поверхностный взрыв двухслойных проводников в быстронарастающих мегагауссных магнитных полях 227
1. Введение 227
2. Моделирование диффузии магнитного поля в двухслойные проводники 228
3. Эксперименты по исследованию плазмообразования на поверхности двухслойных
проводников 233
4. Анализ результатов экспериментов 237
5. Выводы 240
Заключение 241
Список литературы 246
ГЛАВА 1. Обзор литературы 18
1. Электрический взрыв проводников 18
2. Интеграл действия 24
3. Скиновый электрический взрыв проводников 27
4. Нелинейная диффузия магнитного поля 34
5. Х-пинчи и источники излучения на их основе 41
6. Получение плотной высокотемпературной плазмы при сжатии
плазменных лайнеров 54
7. Стабилизация сжатия плазмы в двухкаскадной схеме лайнера 61
ГЛАВА 2. Трансформатор тока нагрузки тераваттного генератора МИГ 67
1. Введение 67
2. Описание генератора МИГ 68
3. Конструкция ТТН 71
4. Экспериментальные результаты 74
5. Обсуждение и выводы 79
6. Заключение 81
ГЛАВА 3. Разработка и создание компактных импульсных генераторов тока для работ с Х - пинчами 82
1. Введение 82
2. Конструкция импульсного генератора первого поколения 83
3. Испытания импульсного генератора на индуктивную нагрузку 85
4. Работа импульсного генератора тока на Х-пинч 87
5. Краткая характеристика импульсных генераторов первого поколения 90
6. Модернизированный вариант импульсного генератора - генератор КИНГ 91
7. Методика измерения электрофизических и излучательных характеристик генератора
тока КИНГ 99
8. Исследование характеристик источника излучения на основе Х-пинча на генераторе
КИНГ 102
9. Краткая характеристика генератора КИНГ 105
10. Выводы 105
ГЛАВА 4. Синхронизуемый генератор с Х-пинчем для исследований сжатия многопроволочных Z-пинчей 108
1. Введение 108
2. Описание синхронизуемого генератора х-пинча 110
3. Установка импульсного генератора тока на генераторе Ангара-5-1 112
4. Характеристики СГХ 115
5. Описание системы управления 115
6. Работа СГХ с Х-пинчем. Проверка методики. Рентгеновское зондирование тест-
объектов 117
7. Работа СГХ на установке Ангара-5 -1 121
8. Заключение 125
ГЛАВА 5. Динамика перетяжки в Х-пинчах 127
1. Введение 127
2. Модель перетяжки х-пинча 129
3. Электрический взрыв проводников 130
4. Формирование перетяжки 131
5. Сжатие перетяжки 132
6. Результаты экспериментов 138
7. Обсуждение результатов 141
8. Выводы 143
ГЛАВА 6. Эксперименты с каскадированными лайнерами и их интерпретация 145
1. Сжатие двухкаскадных аргоновых лайнеров на генераторе СНОП-3 145
2. Сжатие двухкаскадных лайнеров на микросекундном генераторе с амплитудой тока
380 кА 152
3. Структура однокаскадного лайнера в ходе его сжатия 159
4. Эксперименты с двухкаскадными лайнерами на генераторе ИМРИ-5 166
5. Сжатие трехкаскадных газовых лайнеров на генераторе ГИТ-12 170
6. Качественные пояснения стабилизации сжатия плазмы при неупругом столкновении
соосных цилиндрических оболочек 175
7. Ускорение внутреннего каскада за счет упругого столкновения с внешним 181
8. Обобщение результатов 184
ГЛАВА 7. Нелинейная диффузия мегагауссного магнитного поля в проводники 186
1. Введение 186
2. Моделирование нелинейной диффузии магнитного поля 187
3. Результаты расчетов коэффициента поверхностной энергии 189
4. Оценки скоростей распространения ударной волны и волны нелинейной
диффузии 193
5. Обоснование экспериментальной методики измерения скорости проникновения
мегагауссного магнитного поля в металл 197
6. Эксперимент 199
7. Регистрация импульса напряжения на внутренней поверхности трубки 201
8. Выводы 205
ГЛАВА 8. Поверхностный взрыв проводников в быстронарастающих мегагауссных магнитных полях 206
1. Введение 206
2. Методика экспериментальных исследований по изучению поверхностного
плазмообразования в быстронарастающих магнитных поля мегагауссного диапазона 209
3. Результаты экспериментов 215
4. Обсуждение экспериментальных результатов 217
5. Анализ экспериментальных результатов в предположении идеальности плазмы...221
6. Потери энергии на джоулев нагрев 223
7. Сравнение результатов экспериментов с данными МГД моделирования 224
8. Выводы 226
ГЛАВА 9. Поверхностный взрыв двухслойных проводников в быстронарастающих мегагауссных магнитных полях 227
1. Введение 227
2. Моделирование диффузии магнитного поля в двухслойные проводники 228
3. Эксперименты по исследованию плазмообразования на поверхности двухслойных
проводников 233
4. Анализ результатов экспериментов 237
5. Выводы 240
Заключение 241
Список литературы 246
Актуальность темы и степень ее разработанности
Интерес к мощным сильноточным разрядам с доминирующей ролью пинч-эффекта зародился в 50-х годах двадцатого века в связи с потенциальной возможностью освоения нового метода производства энергии - управляемого термоядерного синтеза. Первые экспериментальные исследования продольных разрядов, получивших название 7-пинчи, выявили основные проблемы такого подхода, среди которых наиболее принципиальной оказалась проблема устойчивости плазмы (см., например, [1]). Дальнейшее развитие разделило исследования на два направления, отличающиеся, в первую очередь, способом удержания плазмы. В квазистационарных системах, таких как токамаки, стеллараторы, магнитные ловушки и т.п., удержание плазмы и ее стабилизация должны были обеспечиваться конфигурацией собственного и внешнего магнитных полей. Другое направление, являющееся по сути дела микровзрывом крупинки термоядерного топлива, опиралось на идею быстрого сжатия и нагрева вещества. Предполагалось, что сжатие и нагрев можно осуществить как с помощью мощных электронных, ионных или лазерных потоков, так и мощными импульсами тока (7-пинчи). В таких схемах нагрев топлива осуществляется за счет ускорения вещества с последующей термализацией кинетической энергии либо в центре (сферическая геометрия), либо на оси системы (цилиндрическая геометрия). Температура плазмы в финальной стадии в первом приближении определяется финальной скоростью сжатия г: Т х V2. Время удержания плазмы определяется скоростью разлета сформированной плазмы и ее радиусом. Такой подход получил название инерциального термоядерного синтеза (ИТС) [2 - 4].
Сжатие вещества мощными импульсами тока (собственным магнитным полем) сопровождается развитием магнитогидродинамических (МГД) неустойчивостей, наиболее разрушительными из которых являются неустойчивости рэлей-тейлоровского (РТ) типа [5]. Классическая РТ-неустойчивость - это гравитационная неустойчивость тяжелой жидкости, расположенной над легкой жидкостью. В случае плазмы, ускоряемой магнитным полем, «тяжелой» жидкостью является плазма, а магнитное поле играет роль «легкой» жидкости. То есть конфигурация, в которой плазма ускоряется магнитным полем, является неустойчивой. Как известно, интегральные инкременты неустойчивости Рэлея -Тейлора определяются ускорением д и длительностью процесса V. Г х у[д t (см., например, [6]). Задаваясь постоянным значением температуры плазмы, и, полагая скорость сжатия V х д t, можно получить Г хЛ. То есть, сокращение времени сжатия плазмы является стабилизирующим фактором по отношению к развитию РТ неустойчивостей.
В частности, этим обстоятельством был определен резкий прогресс в создании мощных импульсных генераторов тока с временем нарастания около 100 нс в 70-80 годы двадцатого века. Следует отметить, что в то время отставание российской науки от мировой в направлении мощной импульсной техники и физики быстрых Z-пинчей было незначительным, а по ряду идей существовало и преимущество. В дальнейшем разрыв в области создания мегаамперных генераторов для сжатия Z-пинчей существенно увеличился. Так, например, в 90-х годах в России были запущены в эксплуатацию генераторы Ангара-5-1 (ТРИНИТИ, г. Троицк) [7], С-300 (Курчатовский институт, г. Москва) [8], МИГ [9] и ГИТ-12 [10] (ИСЭ СО РАН, г. Томск) с временем нарастания тока 100:200 нс и значением амплитуды тока 2:5 МА при работе на низкоимпедансную нагрузку. В то же время уже в 1987 году в США был создан генератор Saturn с максимальным током 6.5 МА [11], а в 1997 году генератор Z , обеспечивающий уровень тока до 20 МА [12].
Имеющийся к настоящему времени уровень развития мощной импульсной техники демонстрирует возможность создания в ближайшие годы сверхмощных импульсных генераторов тока с амплитудой 50:70 МА и временем нарастания 100:200 нс [13-15]. Генераторы такого уровня позволят проводить пороговые эксперименты по реализации инерциального управляемого синтеза (ИТС) на основе плазменных лайнеров (быстрых Z- пинчей). Ключевыми вопросами ИТС на быстрых Z-пинчах являются следующие - компактность сжатия и эффективность конверсии энергии генератора в мягкое рентгеновское излучение в схеме с облучением мишени импульсом, генерируемом при сжатии пинча, и устойчивость сжатия исходно металлического лайнера в схеме с квазиадиабатическим нагревом топлива. Сопутствующими актуальными вопросами являются вакуумная изоляция магнитоизолированных передающих линий (МИПЛ) и развитие диагностических методик регистрации формирования и сжатия плазмы лайнера. МИПЛ должна обеспечивать эффективную доставку энергии от генератора к пинчу, причем как в пространственной области высоких электрических полей, где нарушение изоляции обусловлено взрывной электронной эмиссией, так и в области высоких магнитных полей, при мегагауссных значениях индукции которых возможен «скиновой» электрический взрыв поверхности электродов. При амплитуде тока 50 МА индукция магнитного поля не только на поверхности плазменного лайнера, но и на поверхности электродов вакуумной передающей линии радиусом менее 5 см превышает 200 Тл. В таких полях, за счет скинового электрического взрыва должно происходить плазмообразование на поверхности и, как результат, возможно перекрытие зазора расширяющейся плазмой и ухудшение эффективности транспортировки энергии к лайнеру.
Интерес к плазмообразованию на поверхности толстых (толщина проводника больше размера скин-слоя) проводников впервые проявился в 50-е годы двадцатого века в исследованиях генерации импульсных сверхсильных магнитных полей. Проведенные эксперименты по генерации магнитных полей при сжатии металлического лайнера зарядом взрывчатого вещества (см., например, [16-19]), а также развитие техники лабораторных методов генерации мегагауссных магнитных полей на основе одновитковых соленоидов (см., например, [20, 21]), предопределили внимание к изучению процесса взаимодействия
импульсного мегагауссного магнитного поля с поверхностью металлов. Плазмообразование на поверхности проводника вследствие скинового взрыва является одним из ограничений на максимальную индукцию магнитного поля в одновитковых соленоидах. Возникновение паров или плазмы на поверхности, их тепловое расширение, а также увеличение эффективного радиуса соленоида за счет диффузии магнитного поля препятствует достижению высоких значений магнитного поля (см., например, [21, 22]).
Полученные в экспериментах с одновитковыми соленоидами и в экспериментах по магнитной кумуляции данные охватывают диапазон времен нарастания индукции от единиц до десятков микросекунд. Анализ этих экспериментальных данных, их сравнение с рядом расчетных моделей [23, 22, 24] показывают, что индукция магнитного поля, при которой следует ожидать скинового взрыва проводника, составляет 300-400 Тл, что соответствует объемной плотности магнитной энергии порядка энергии сублимации. Вместе с тем, четкий критерий поверхностного взрыва и/или поверхностного плазмообразования для различных металлов в настоящее время отсутствует. Также спорным является вопрос о влиянии скорости нарастания магнитного поля на скиновый взрыв проводника.
Интерес к мощным сильноточным разрядам с доминирующей ролью пинч-эффекта зародился в 50-х годах двадцатого века в связи с потенциальной возможностью освоения нового метода производства энергии - управляемого термоядерного синтеза. Первые экспериментальные исследования продольных разрядов, получивших название 7-пинчи, выявили основные проблемы такого подхода, среди которых наиболее принципиальной оказалась проблема устойчивости плазмы (см., например, [1]). Дальнейшее развитие разделило исследования на два направления, отличающиеся, в первую очередь, способом удержания плазмы. В квазистационарных системах, таких как токамаки, стеллараторы, магнитные ловушки и т.п., удержание плазмы и ее стабилизация должны были обеспечиваться конфигурацией собственного и внешнего магнитных полей. Другое направление, являющееся по сути дела микровзрывом крупинки термоядерного топлива, опиралось на идею быстрого сжатия и нагрева вещества. Предполагалось, что сжатие и нагрев можно осуществить как с помощью мощных электронных, ионных или лазерных потоков, так и мощными импульсами тока (7-пинчи). В таких схемах нагрев топлива осуществляется за счет ускорения вещества с последующей термализацией кинетической энергии либо в центре (сферическая геометрия), либо на оси системы (цилиндрическая геометрия). Температура плазмы в финальной стадии в первом приближении определяется финальной скоростью сжатия г: Т х V2. Время удержания плазмы определяется скоростью разлета сформированной плазмы и ее радиусом. Такой подход получил название инерциального термоядерного синтеза (ИТС) [2 - 4].
Сжатие вещества мощными импульсами тока (собственным магнитным полем) сопровождается развитием магнитогидродинамических (МГД) неустойчивостей, наиболее разрушительными из которых являются неустойчивости рэлей-тейлоровского (РТ) типа [5]. Классическая РТ-неустойчивость - это гравитационная неустойчивость тяжелой жидкости, расположенной над легкой жидкостью. В случае плазмы, ускоряемой магнитным полем, «тяжелой» жидкостью является плазма, а магнитное поле играет роль «легкой» жидкости. То есть конфигурация, в которой плазма ускоряется магнитным полем, является неустойчивой. Как известно, интегральные инкременты неустойчивости Рэлея -Тейлора определяются ускорением д и длительностью процесса V. Г х у[д t (см., например, [6]). Задаваясь постоянным значением температуры плазмы, и, полагая скорость сжатия V х д t, можно получить Г хЛ. То есть, сокращение времени сжатия плазмы является стабилизирующим фактором по отношению к развитию РТ неустойчивостей.
В частности, этим обстоятельством был определен резкий прогресс в создании мощных импульсных генераторов тока с временем нарастания около 100 нс в 70-80 годы двадцатого века. Следует отметить, что в то время отставание российской науки от мировой в направлении мощной импульсной техники и физики быстрых Z-пинчей было незначительным, а по ряду идей существовало и преимущество. В дальнейшем разрыв в области создания мегаамперных генераторов для сжатия Z-пинчей существенно увеличился. Так, например, в 90-х годах в России были запущены в эксплуатацию генераторы Ангара-5-1 (ТРИНИТИ, г. Троицк) [7], С-300 (Курчатовский институт, г. Москва) [8], МИГ [9] и ГИТ-12 [10] (ИСЭ СО РАН, г. Томск) с временем нарастания тока 100:200 нс и значением амплитуды тока 2:5 МА при работе на низкоимпедансную нагрузку. В то же время уже в 1987 году в США был создан генератор Saturn с максимальным током 6.5 МА [11], а в 1997 году генератор Z , обеспечивающий уровень тока до 20 МА [12].
Имеющийся к настоящему времени уровень развития мощной импульсной техники демонстрирует возможность создания в ближайшие годы сверхмощных импульсных генераторов тока с амплитудой 50:70 МА и временем нарастания 100:200 нс [13-15]. Генераторы такого уровня позволят проводить пороговые эксперименты по реализации инерциального управляемого синтеза (ИТС) на основе плазменных лайнеров (быстрых Z- пинчей). Ключевыми вопросами ИТС на быстрых Z-пинчах являются следующие - компактность сжатия и эффективность конверсии энергии генератора в мягкое рентгеновское излучение в схеме с облучением мишени импульсом, генерируемом при сжатии пинча, и устойчивость сжатия исходно металлического лайнера в схеме с квазиадиабатическим нагревом топлива. Сопутствующими актуальными вопросами являются вакуумная изоляция магнитоизолированных передающих линий (МИПЛ) и развитие диагностических методик регистрации формирования и сжатия плазмы лайнера. МИПЛ должна обеспечивать эффективную доставку энергии от генератора к пинчу, причем как в пространственной области высоких электрических полей, где нарушение изоляции обусловлено взрывной электронной эмиссией, так и в области высоких магнитных полей, при мегагауссных значениях индукции которых возможен «скиновой» электрический взрыв поверхности электродов. При амплитуде тока 50 МА индукция магнитного поля не только на поверхности плазменного лайнера, но и на поверхности электродов вакуумной передающей линии радиусом менее 5 см превышает 200 Тл. В таких полях, за счет скинового электрического взрыва должно происходить плазмообразование на поверхности и, как результат, возможно перекрытие зазора расширяющейся плазмой и ухудшение эффективности транспортировки энергии к лайнеру.
Интерес к плазмообразованию на поверхности толстых (толщина проводника больше размера скин-слоя) проводников впервые проявился в 50-е годы двадцатого века в исследованиях генерации импульсных сверхсильных магнитных полей. Проведенные эксперименты по генерации магнитных полей при сжатии металлического лайнера зарядом взрывчатого вещества (см., например, [16-19]), а также развитие техники лабораторных методов генерации мегагауссных магнитных полей на основе одновитковых соленоидов (см., например, [20, 21]), предопределили внимание к изучению процесса взаимодействия
импульсного мегагауссного магнитного поля с поверхностью металлов. Плазмообразование на поверхности проводника вследствие скинового взрыва является одним из ограничений на максимальную индукцию магнитного поля в одновитковых соленоидах. Возникновение паров или плазмы на поверхности, их тепловое расширение, а также увеличение эффективного радиуса соленоида за счет диффузии магнитного поля препятствует достижению высоких значений магнитного поля (см., например, [21, 22]).
Полученные в экспериментах с одновитковыми соленоидами и в экспериментах по магнитной кумуляции данные охватывают диапазон времен нарастания индукции от единиц до десятков микросекунд. Анализ этих экспериментальных данных, их сравнение с рядом расчетных моделей [23, 22, 24] показывают, что индукция магнитного поля, при которой следует ожидать скинового взрыва проводника, составляет 300-400 Тл, что соответствует объемной плотности магнитной энергии порядка энергии сублимации. Вместе с тем, четкий критерий поверхностного взрыва и/или поверхностного плазмообразования для различных металлов в настоящее время отсутствует. Также спорным является вопрос о влиянии скорости нарастания магнитного поля на скиновый взрыв проводника.
Итоги проведенных исследований обобщены в виде следующих выводов:
1. Предложена и реализована методика измерений скорости проникновения
азимутального магнитного поля мегагауссного диапазона в цилиндрические проводники, опирающаяся на измерения напряжения на внутренней поверхности
проводника.
2. В экспериментах на генераторе МИГ, на примере металлов обладающих существенно различающимися тепло- и электрофизическими свойствами, показано, что для оценки глубины проникновения Дн магнитного поля в проводник можно использовать ранее
магнитного поля ~ 300 Тл и времени ее нарастания 100 нс.
3. На основании экспериментальных данных по регистрации импульса собственного излучения плазмы в вакуумно-ультрафиолетовом диапазоне предложен критерий образования плазмы на поверхности металла в быстронарастающих магнитных полях с индукцией несколько сотен Тл. Минимальное значение индукции магнитного поля, при которой в режиме скинирования тока происходит плазмообразование на
поверхности металла, может быть выражено как B^n ~ y¡2 ВоА • (0.3 + 0.7), где о0 -
а
проводимость, А " плотность энергии сублимации металла при нормальных условиях, о* = 4-107 1/(Ом-м).
4. Показано, что за счет двухслойной структуры проводника с внешним слоем меньшей проводимости возможно достижение более высоких значений индукции магнитного поля на поверхности проводника без ее взрыва. Объяснением этому служит снижение отношения плотности джоулева тепловыделения к плотности энергии магнитного поля на поверхности двухслойного проводника за счет перераспределения плотности тока по сечению.
5. Разработаны и запущены в эксплуатацию компактные импульсные генераторы тока, действующие по принципу низкоиндуктивной конденсаторной батареи. Параметры генераторов: емкость конденсаторной батареи - 1 мкФ; зарядное напряжение - 40:50 кВ; энергозапас конденсаторной батареи - до 1.25 кДж; импеданс генератора 0.13 Ом; пиковый ток 300 кА при времени нарастания 200 нс при работе на индуктивность 7 нГн. Габариты генератора без периферийных систем: 410х450х360 мм; вес - 70 кг.
6. Продемонстрирована работа таких генераторов с нагрузкой в виде Х-пинча. Получены
четкие теневые изображения статических объектов микронных размеров в мягком рентгеновском диапазоне спектра при длительности импульса излучения 2~3 нс. Сравнительно малые габариты и вес импульсного генератора позволяют
транспортировать его в любую лабораторию для проведения экспериментов по теневому рентгеновскому зондированию с микронным пространственным и
наносекундным временным разрешениями.
7. Спроектирован, изготовлен и протестирован компактный импульсный наносекундный генератора (КИНГ) с компьютерным управлением, занимающий лабораторную площадь не более 2 кв.м. При работе с Х-пинчем реализованы следующие параметры источника излучения: длительность импульса излучения 1^3 нс, размер источника излучения 4Х мкм в спектральном диапазоне выше 3 кэВ, четкая засветка фотопленок марки Микрат или РФ-3 на расстоянии не менее 40 см от Х-пинча. Таким образом, создана компактная установка для импульсной радиографии в мягком рентгеновском диапазоне спектра (ИУ > 1 кэВ), позволяющая проводить теневую съёмку, как быстропротекающих плазменных процессов, так и биологических объектов с временным разрешением 1^3 нс и пространственным разрешением 4^5 мкм.
8. На генераторе “Ангара-5-1” с пиковой мощностью до 6 ТВт реализована методика импульсного рентгеновского теневого зондирования сжатия многопроволочных лайнеров в спектральном диапазоне выше 1 кэВ с временным разрешением 2 нс с помощью отдельного синхронизируемого генератора с нагрузкой в виде Х-пинча. Обеспечена синхронизация зондирующего рентгеновского импульса с импульсом тока генератора “Ангара-5-1” с точностью не хуже ± 10 нс. Применение гибкой низкоиндуктивной многокабельной линии для запитки Х-пинча является очевидным преимуществом данной разработки с точки зрения юстировки рентгенографической схемы.
9. Предложена модель, позволяющая описать процесс развития перетяжки в Х-пинчах, которая включает в себя два этапа. Первый этап - формирование перетяжки. В начале этой стадии происходит плавление и нагрев проводников вплоть до потери ими металлической проводимости, что приводит к электрическому взрыву проводников и их разлету. В финале этой стадии в области перекрестья проволочек за счет сжатия вещества проволочек формируется микропинч - перетяжка. Второй этап - сжатие перетяжки. Сжатие сопровождается вытеканием вещества из области перетяжки. В финальной стадии развития перетяжки формируется «горячая точка», аксиальный размер которой значительно меньше длины самой перетяжки. Оценки показывают, что длительности этих двух этапов приблизительно равны между собой.
10. Экспериментальные исследования динамики формирования перетяжки, проведенные на компактном сильноточном генераторе с амплитудой тока до 230 кА, показали, что, несмотря на достаточно широкий диапазон изменения характеристик А-пинчей, наблюдаемая длина перетяжки изменяется достаточно слабо (от 200 мкм до 450 мкм) и растет с ростом начальной погонной массы. Наблюдаемые в экспериментах значения длины перетяжек А-пинчей достаточно хорошо согласуются с длинами перетяжек, рассчитанными в рамках разработанной модели. Это свидетельствует о том, что в А-пинчах момент появления импульса рентгеновского излучения определяется длиной перетяжки.
11. На сильноточном импульсном генераторе МИГ продемонстрирована возможность работы трансформатора тока нагрузки с коэффициентом увеличения по току 1.75 и при амплитуде импульса тока в нагрузке 3.5 МА. Трансформатор достаточно прост по конструкции и легко демонтируется, позволяя таким образом использовать генератор МИГ в режимах работы с другими нагрузками. Сравнение расчетных и экспериментальных данных позволяет сделать вывод о целесообразности использования трансформатора при работе на постоянную низкоиндуктивную нагрузку, например, в исследованиях скинового взрыва и нелинейного диффузии мегагауссных магнитных полей. При этом использование трансформатора позволяет обеспечить полуторакратное увеличение тока в нагрузке по сравнению с обычным режимом работы генератора МИГ.
12. В режимах сжатия каскадированных лайнеров с начальным радиусом до 4 см, обеспечивающих формирование компактных финальных пинчей радиусом 1 мм и меньше, интенсивно излучающих в спектральном диапазоне выше 1 кэВ:
1. а) начальный радиус внешнего каскада в 3-5 раз больше начального радиуса внутреннего каскада, б) источником импульса излучения является вещество внутреннего каскада, исходно располагаемое на радиусе 1 см и меньше; в) масса внутреннего каскада примерно равна или меньше массы внешней оболочки; г) часть вещества внешнего каскада в момент формирования импульс излучения расположена на радиусе большем 1 мм и не принимает участие в формировании компактного пинча.
2. При таком соотношении масс каскадов, согласно оценкам и расчетам, полного подавления рэлей-тейлоровских неустойчивостей при столкновении внешнего и
внутреннего каскадов происходит не должно.
3. Внутренний каскад не «наследует» возмущения, развивающиеся во внешнем каскаде, что дает основания предположить: а) плазмодинамическое переключение тока на внутренний каскад за счет формирования легкой по сравнению с массой внешнего каскада токонесущей оболочки в области между каскадами, стабилизирующейся при ее столкновении с внутренним каскадом; б) разделение каскадов магнитной «прокладкой» азимутального магнитного поля, обеспечивающей ускорение внутреннего каскада
вследствие упругого столкновения каскадов.
1. Предложена и реализована методика измерений скорости проникновения
азимутального магнитного поля мегагауссного диапазона в цилиндрические проводники, опирающаяся на измерения напряжения на внутренней поверхности
проводника.
2. В экспериментах на генераторе МИГ, на примере металлов обладающих существенно различающимися тепло- и электрофизическими свойствами, показано, что для оценки глубины проникновения Дн магнитного поля в проводник можно использовать ранее
магнитного поля ~ 300 Тл и времени ее нарастания 100 нс.
3. На основании экспериментальных данных по регистрации импульса собственного излучения плазмы в вакуумно-ультрафиолетовом диапазоне предложен критерий образования плазмы на поверхности металла в быстронарастающих магнитных полях с индукцией несколько сотен Тл. Минимальное значение индукции магнитного поля, при которой в режиме скинирования тока происходит плазмообразование на
поверхности металла, может быть выражено как B^n ~ y¡2 ВоА • (0.3 + 0.7), где о0 -
а
проводимость, А " плотность энергии сублимации металла при нормальных условиях, о* = 4-107 1/(Ом-м).
4. Показано, что за счет двухслойной структуры проводника с внешним слоем меньшей проводимости возможно достижение более высоких значений индукции магнитного поля на поверхности проводника без ее взрыва. Объяснением этому служит снижение отношения плотности джоулева тепловыделения к плотности энергии магнитного поля на поверхности двухслойного проводника за счет перераспределения плотности тока по сечению.
5. Разработаны и запущены в эксплуатацию компактные импульсные генераторы тока, действующие по принципу низкоиндуктивной конденсаторной батареи. Параметры генераторов: емкость конденсаторной батареи - 1 мкФ; зарядное напряжение - 40:50 кВ; энергозапас конденсаторной батареи - до 1.25 кДж; импеданс генератора 0.13 Ом; пиковый ток 300 кА при времени нарастания 200 нс при работе на индуктивность 7 нГн. Габариты генератора без периферийных систем: 410х450х360 мм; вес - 70 кг.
6. Продемонстрирована работа таких генераторов с нагрузкой в виде Х-пинча. Получены
четкие теневые изображения статических объектов микронных размеров в мягком рентгеновском диапазоне спектра при длительности импульса излучения 2~3 нс. Сравнительно малые габариты и вес импульсного генератора позволяют
транспортировать его в любую лабораторию для проведения экспериментов по теневому рентгеновскому зондированию с микронным пространственным и
наносекундным временным разрешениями.
7. Спроектирован, изготовлен и протестирован компактный импульсный наносекундный генератора (КИНГ) с компьютерным управлением, занимающий лабораторную площадь не более 2 кв.м. При работе с Х-пинчем реализованы следующие параметры источника излучения: длительность импульса излучения 1^3 нс, размер источника излучения 4Х мкм в спектральном диапазоне выше 3 кэВ, четкая засветка фотопленок марки Микрат или РФ-3 на расстоянии не менее 40 см от Х-пинча. Таким образом, создана компактная установка для импульсной радиографии в мягком рентгеновском диапазоне спектра (ИУ > 1 кэВ), позволяющая проводить теневую съёмку, как быстропротекающих плазменных процессов, так и биологических объектов с временным разрешением 1^3 нс и пространственным разрешением 4^5 мкм.
8. На генераторе “Ангара-5-1” с пиковой мощностью до 6 ТВт реализована методика импульсного рентгеновского теневого зондирования сжатия многопроволочных лайнеров в спектральном диапазоне выше 1 кэВ с временным разрешением 2 нс с помощью отдельного синхронизируемого генератора с нагрузкой в виде Х-пинча. Обеспечена синхронизация зондирующего рентгеновского импульса с импульсом тока генератора “Ангара-5-1” с точностью не хуже ± 10 нс. Применение гибкой низкоиндуктивной многокабельной линии для запитки Х-пинча является очевидным преимуществом данной разработки с точки зрения юстировки рентгенографической схемы.
9. Предложена модель, позволяющая описать процесс развития перетяжки в Х-пинчах, которая включает в себя два этапа. Первый этап - формирование перетяжки. В начале этой стадии происходит плавление и нагрев проводников вплоть до потери ими металлической проводимости, что приводит к электрическому взрыву проводников и их разлету. В финале этой стадии в области перекрестья проволочек за счет сжатия вещества проволочек формируется микропинч - перетяжка. Второй этап - сжатие перетяжки. Сжатие сопровождается вытеканием вещества из области перетяжки. В финальной стадии развития перетяжки формируется «горячая точка», аксиальный размер которой значительно меньше длины самой перетяжки. Оценки показывают, что длительности этих двух этапов приблизительно равны между собой.
10. Экспериментальные исследования динамики формирования перетяжки, проведенные на компактном сильноточном генераторе с амплитудой тока до 230 кА, показали, что, несмотря на достаточно широкий диапазон изменения характеристик А-пинчей, наблюдаемая длина перетяжки изменяется достаточно слабо (от 200 мкм до 450 мкм) и растет с ростом начальной погонной массы. Наблюдаемые в экспериментах значения длины перетяжек А-пинчей достаточно хорошо согласуются с длинами перетяжек, рассчитанными в рамках разработанной модели. Это свидетельствует о том, что в А-пинчах момент появления импульса рентгеновского излучения определяется длиной перетяжки.
11. На сильноточном импульсном генераторе МИГ продемонстрирована возможность работы трансформатора тока нагрузки с коэффициентом увеличения по току 1.75 и при амплитуде импульса тока в нагрузке 3.5 МА. Трансформатор достаточно прост по конструкции и легко демонтируется, позволяя таким образом использовать генератор МИГ в режимах работы с другими нагрузками. Сравнение расчетных и экспериментальных данных позволяет сделать вывод о целесообразности использования трансформатора при работе на постоянную низкоиндуктивную нагрузку, например, в исследованиях скинового взрыва и нелинейного диффузии мегагауссных магнитных полей. При этом использование трансформатора позволяет обеспечить полуторакратное увеличение тока в нагрузке по сравнению с обычным режимом работы генератора МИГ.
12. В режимах сжатия каскадированных лайнеров с начальным радиусом до 4 см, обеспечивающих формирование компактных финальных пинчей радиусом 1 мм и меньше, интенсивно излучающих в спектральном диапазоне выше 1 кэВ:
1. а) начальный радиус внешнего каскада в 3-5 раз больше начального радиуса внутреннего каскада, б) источником импульса излучения является вещество внутреннего каскада, исходно располагаемое на радиусе 1 см и меньше; в) масса внутреннего каскада примерно равна или меньше массы внешней оболочки; г) часть вещества внешнего каскада в момент формирования импульс излучения расположена на радиусе большем 1 мм и не принимает участие в формировании компактного пинча.
2. При таком соотношении масс каскадов, согласно оценкам и расчетам, полного подавления рэлей-тейлоровских неустойчивостей при столкновении внешнего и
внутреннего каскадов происходит не должно.
3. Внутренний каскад не «наследует» возмущения, развивающиеся во внешнем каскаде, что дает основания предположить: а) плазмодинамическое переключение тока на внутренний каскад за счет формирования легкой по сравнению с массой внешнего каскада токонесущей оболочки в области между каскадами, стабилизирующейся при ее столкновении с внутренним каскадом; б) разделение каскадов магнитной «прокладкой» азимутального магнитного поля, обеспечивающей ускорение внутреннего каскада
вследствие упругого столкновения каскадов.