ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
|
РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА 9
1.1 Процесс формирования плазменной струи 9
1.2 Постановка экспериментов 10
ГЛАВА 2. ТИПЫ ДИАГНОСТИКИ 12
2.1 Электрофизическая диагностика 12
2.2 Оптическая диагностика 12
2.3 Спектральные измерения 12
2.4 Хронографическая диагностика 13
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ДИАГНОСТИКИ 13
3.1 Результаты оптической диагностики 13
3.2 Результаты электрофизической диагностики 13
3.3 Результаты спектральных измерений 16
3.4 Результаты хронографических измерений 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 38
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 39
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА 9
1.1 Процесс формирования плазменной струи 9
1.2 Постановка экспериментов 10
ГЛАВА 2. ТИПЫ ДИАГНОСТИКИ 12
2.1 Электрофизическая диагностика 12
2.2 Оптическая диагностика 12
2.3 Спектральные измерения 12
2.4 Хронографическая диагностика 13
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ДИАГНОСТИКИ 13
3.1 Результаты оптической диагностики 13
3.2 Результаты электрофизической диагностики 13
3.3 Результаты спектральных измерений 16
3.4 Результаты хронографических измерений 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 38
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 39
Одним из многочисленных применений вакуумного дугового разряда является использование испаренного материала катода и анода в качестве источника вещества для формирования Z и PZ-пинчей [1], [2]. Z-пинч - это столб плазмы, в котором ток, протекающий в аксиальном направлении, создает азимутально направленное магнитное поле сжимающее плазму (пинч-эффект) на оси системы.
Основные типы традиционно используемых конструкций Z-пинчей:
1) использование цилиндров из тонких фольг;
2) использование каскадов из тонких проволочек, установленных по образующей цилиндра - многопроволочный лайнер;
3) напуск газа через сверхзвуковые сопла - газовый лайнер;
4) инжекция слабоионизованной плазмы, сформированной при электрическом взрыве фольги или при поверхностном разряде в тонком капилляре.
Первые эксперименты на установках такого типа были направлены на исследования, целью которых было нахождение возможного способа реализации управляемого инерциального термоядерного синтеза. В ходе реализации данных проектов, были выявлены основные проблемы вышеперечисленных методов получения и сжатия плазменных оболочек. Наиболее важной оказалась проблема, связанная с устойчивостью сжатия такой плазмы. При сжатии вещества мощными импульсами тока, развиваются магнитогидродинамические неустойчивости, наиболее разрушительные из которых является неустойчивость Рэлей-Тейлоровского (РТ) типа.
К настоящему времени круг приложений сильно расширился и покрывает большой спектр фундаментальных и прикладных задач:
1) Источники рентгеновского излучения.
Высокотемпературная, плотная плазма, образованная в финальной стадии осесимметричного цилиндрического сжатия и термализации, может служить эффективным источником рентгеновского излучения. Было продемонстрировано, что эффективность конвертации электрической энергии конденсаторных батарей сильноточных импульсных генераторов в излучение может превышать 10%. Источники такого рода (в спектральной области 1-5 кэВ) традиционно использовались в исследованиях взаимодействия излучения с веществом, получение источников рентгеновского излучения в более мягком диапазоне (<1 кэВ). Получение источников, спектр излучения которых близок к планковскому, позволило проводить исследования в области абляционной физики и эксперименты (radiation summarization), относящиеся к программе инерциального управляемого синтеза, а также астрофизики и физики экстремальных состояний вещества.
2) Рентгеновские лазеры.
Цилиндрическая геометрия плазмы Z-пинча и маленькое отношение радиуса к длине R/L хорошо подходят для использования, как в качестве активной среды лазера, так и качестве лампы оптической накачки среды, помещенной на оси. Рентгеновские лазеры используются для анализа и запуска химических реакций.
3) Получение сверхсильных магнитных полей.
Получение сверхсильных магнитных полей осуществляется сжатием магнитного потока замкнутой проводящей цилиндрической оболочкой, сходящейся к оси. Радиально сжимающаяся плазма Z-пинча может поддерживать и усиливать внешнее аксиальное магнитное поле. Аксиальное магнитное поле индуцирует азимутальный ток в тонком слое внутренней поверхности сжимающейся оболочки.
4) Фокусировка высокоэнергетических частиц в ускорителях.
Азимутальное магнитное поле плазменного столба Z-пинча может быть использовано для собирания и фокусировки высокоэнергетических заряженных частиц.
5) Плазменно-металлический лайнер.
Метод формирования плазменных оболочек для Z-пинча с помощью сильноточного вакуумного дугового разряда, был исследован в Институте Сильноточной Электроники. Было продемонстрировано, что такие системы имеют те же основные параметры, как и другие нагрузки Z-пинча, а металлическая плазма, полученная данным способом, может быть успешно использована для формирования плазменных оболочек.
Плазменно-металлический лайнер имеет несколько преимуществ над остальными системами:
1) Высокая начальная проводимость (~104 Q’1-m’1) и соответственно отсутствие проблемы “холодного старта”. Проблема “холодного старта” типична для всех видов нагрузок, в которых вещество изначально находится в холодном состоянии и состоит в том, что испарение вещества и плазмообразование происходит за время соизмеримое с временем сжатия таких структур. Процесс сжатия таких лайнеров начинается еще до окончания процесса перехода всего вещества в плазменное состояние, которое в свою очередь продолжается на всём этапе имплозии.
2) При сжатии плазменно-металлических оболочек присутствует механизм подавления РТ-неустойчивостей.
3) Появляется возможность использовать различные металлы, из которых невозможно сделать многопроволочный лайнер (на пример олово, магний, висмут и т.д.).
Кроме того, актуальность исследования плазменных струй обусловлена тем, что вакуумная дуга, будучи объектом долгосрочных фундаментальных исследований [1][2][3], широко используется в различных инженерных приложениях, таких как plasma-assisted ion deposition systems (системы осаждения ионов в плазме) [4], sources of high-current metal ion beams (источники сильноточных пучков ионов металлов) [5], vacuum opening switches intended for switching high-current electric circuits at high voltages (вакуумные выключатели, предназначенные для переключения сильноточных электрических цепей высокого напряжения) [6], и т.д.
В отделе высоких плотностей энергии при разработке методики формирования алюминиевых плазменно-металлических оболочек Z-пинчей было замечено, что при использовании плазменных пушек, в которых катод и анод находятся в одной плоскости (см.рис.1), при токах свыше 100 кА наблюдается формирование протяженных плазменных струй. На рис.2 приведены изображения формируемых плазменных струй в такой конструкции, полученные при помощи 4-х кадровой оптической камеры HFSC-Pro в различные моменты времени. Экспозиция также 10 нс, время между кадрами 120 нс. Числа на кадрах означают время регистрации изображения плазменной струи относительно момента начала протекания тока дугового разряда. Видно, что в течении первых 700 нс наблюдаются турбулентные неоднородности, которые затем исчезают и столб плазмы
выглядит весьма однородно.
electrode
Рисунок 1 - Схема конструкции по формированию плазменных струй
Рисунок 2 - Изображения формируемых Al плазменных струй, полученные при помощи 4¬х кадровой оптической камеры HFSC-Pro в различные моменты времени
Интерес к данной проблематике обусловлен ещё и тем, что в астрофизике существует ряд космических объектов (см. рис.3) [7], в которых наблюдается формирование весьма протяженных плазменных струй, состоящих из ионизованного водорода. Исследования струй долгое время основывались на сочетании аналитических, наблюдательных и численных исследований для выяснения связанных с этим сложных явлений. Один элемент, отсутствующий в этих исследованиях (которые используются другими физическими науками), — это контролируемое экспериментальное исследование таких систем. На данном этапе, есть большой интерес к моделированию взаимодействия водородных плазменных струй с такими объектами как газовыми облаками или другой плазмой, которая встречается на пути такого джэта. При определенных обстоятельствах результаты лабораторных экспериментов можно напрямую сравнивать с астрофизическими системами с помощью аргументов масштабирования. В связи с этим, желательно найти метод формирования именно водородных плазменных струй.
Объект НН 34. Источник: ESA/Hubble & NASA.
■
Взаимодействие Молодая звезда
. •
джета газовым
облаком Джет
*
Рисунок 3 - Изображение объекта HH 34, полученное с помощью телескопа Hubble
(NASA)
Целью данной работы является разработка методики формирования водородных плазменных струй, а также исследование их параметров и основных свойств.
Основные типы традиционно используемых конструкций Z-пинчей:
1) использование цилиндров из тонких фольг;
2) использование каскадов из тонких проволочек, установленных по образующей цилиндра - многопроволочный лайнер;
3) напуск газа через сверхзвуковые сопла - газовый лайнер;
4) инжекция слабоионизованной плазмы, сформированной при электрическом взрыве фольги или при поверхностном разряде в тонком капилляре.
Первые эксперименты на установках такого типа были направлены на исследования, целью которых было нахождение возможного способа реализации управляемого инерциального термоядерного синтеза. В ходе реализации данных проектов, были выявлены основные проблемы вышеперечисленных методов получения и сжатия плазменных оболочек. Наиболее важной оказалась проблема, связанная с устойчивостью сжатия такой плазмы. При сжатии вещества мощными импульсами тока, развиваются магнитогидродинамические неустойчивости, наиболее разрушительные из которых является неустойчивость Рэлей-Тейлоровского (РТ) типа.
К настоящему времени круг приложений сильно расширился и покрывает большой спектр фундаментальных и прикладных задач:
1) Источники рентгеновского излучения.
Высокотемпературная, плотная плазма, образованная в финальной стадии осесимметричного цилиндрического сжатия и термализации, может служить эффективным источником рентгеновского излучения. Было продемонстрировано, что эффективность конвертации электрической энергии конденсаторных батарей сильноточных импульсных генераторов в излучение может превышать 10%. Источники такого рода (в спектральной области 1-5 кэВ) традиционно использовались в исследованиях взаимодействия излучения с веществом, получение источников рентгеновского излучения в более мягком диапазоне (<1 кэВ). Получение источников, спектр излучения которых близок к планковскому, позволило проводить исследования в области абляционной физики и эксперименты (radiation summarization), относящиеся к программе инерциального управляемого синтеза, а также астрофизики и физики экстремальных состояний вещества.
2) Рентгеновские лазеры.
Цилиндрическая геометрия плазмы Z-пинча и маленькое отношение радиуса к длине R/L хорошо подходят для использования, как в качестве активной среды лазера, так и качестве лампы оптической накачки среды, помещенной на оси. Рентгеновские лазеры используются для анализа и запуска химических реакций.
3) Получение сверхсильных магнитных полей.
Получение сверхсильных магнитных полей осуществляется сжатием магнитного потока замкнутой проводящей цилиндрической оболочкой, сходящейся к оси. Радиально сжимающаяся плазма Z-пинча может поддерживать и усиливать внешнее аксиальное магнитное поле. Аксиальное магнитное поле индуцирует азимутальный ток в тонком слое внутренней поверхности сжимающейся оболочки.
4) Фокусировка высокоэнергетических частиц в ускорителях.
Азимутальное магнитное поле плазменного столба Z-пинча может быть использовано для собирания и фокусировки высокоэнергетических заряженных частиц.
5) Плазменно-металлический лайнер.
Метод формирования плазменных оболочек для Z-пинча с помощью сильноточного вакуумного дугового разряда, был исследован в Институте Сильноточной Электроники. Было продемонстрировано, что такие системы имеют те же основные параметры, как и другие нагрузки Z-пинча, а металлическая плазма, полученная данным способом, может быть успешно использована для формирования плазменных оболочек.
Плазменно-металлический лайнер имеет несколько преимуществ над остальными системами:
1) Высокая начальная проводимость (~104 Q’1-m’1) и соответственно отсутствие проблемы “холодного старта”. Проблема “холодного старта” типична для всех видов нагрузок, в которых вещество изначально находится в холодном состоянии и состоит в том, что испарение вещества и плазмообразование происходит за время соизмеримое с временем сжатия таких структур. Процесс сжатия таких лайнеров начинается еще до окончания процесса перехода всего вещества в плазменное состояние, которое в свою очередь продолжается на всём этапе имплозии.
2) При сжатии плазменно-металлических оболочек присутствует механизм подавления РТ-неустойчивостей.
3) Появляется возможность использовать различные металлы, из которых невозможно сделать многопроволочный лайнер (на пример олово, магний, висмут и т.д.).
Кроме того, актуальность исследования плазменных струй обусловлена тем, что вакуумная дуга, будучи объектом долгосрочных фундаментальных исследований [1][2][3], широко используется в различных инженерных приложениях, таких как plasma-assisted ion deposition systems (системы осаждения ионов в плазме) [4], sources of high-current metal ion beams (источники сильноточных пучков ионов металлов) [5], vacuum opening switches intended for switching high-current electric circuits at high voltages (вакуумные выключатели, предназначенные для переключения сильноточных электрических цепей высокого напряжения) [6], и т.д.
В отделе высоких плотностей энергии при разработке методики формирования алюминиевых плазменно-металлических оболочек Z-пинчей было замечено, что при использовании плазменных пушек, в которых катод и анод находятся в одной плоскости (см.рис.1), при токах свыше 100 кА наблюдается формирование протяженных плазменных струй. На рис.2 приведены изображения формируемых плазменных струй в такой конструкции, полученные при помощи 4-х кадровой оптической камеры HFSC-Pro в различные моменты времени. Экспозиция также 10 нс, время между кадрами 120 нс. Числа на кадрах означают время регистрации изображения плазменной струи относительно момента начала протекания тока дугового разряда. Видно, что в течении первых 700 нс наблюдаются турбулентные неоднородности, которые затем исчезают и столб плазмы
выглядит весьма однородно.
electrode
Рисунок 1 - Схема конструкции по формированию плазменных струй
Рисунок 2 - Изображения формируемых Al плазменных струй, полученные при помощи 4¬х кадровой оптической камеры HFSC-Pro в различные моменты времени
Интерес к данной проблематике обусловлен ещё и тем, что в астрофизике существует ряд космических объектов (см. рис.3) [7], в которых наблюдается формирование весьма протяженных плазменных струй, состоящих из ионизованного водорода. Исследования струй долгое время основывались на сочетании аналитических, наблюдательных и численных исследований для выяснения связанных с этим сложных явлений. Один элемент, отсутствующий в этих исследованиях (которые используются другими физическими науками), — это контролируемое экспериментальное исследование таких систем. На данном этапе, есть большой интерес к моделированию взаимодействия водородных плазменных струй с такими объектами как газовыми облаками или другой плазмой, которая встречается на пути такого джэта. При определенных обстоятельствах результаты лабораторных экспериментов можно напрямую сравнивать с астрофизическими системами с помощью аргументов масштабирования. В связи с этим, желательно найти метод формирования именно водородных плазменных струй.
Объект НН 34. Источник: ESA/Hubble & NASA.
■
Взаимодействие Молодая звезда
. •
джета газовым
облаком Джет
*
Рисунок 3 - Изображение объекта HH 34, полученное с помощью телескопа Hubble
(NASA)
Целью данной работы является разработка методики формирования водородных плазменных струй, а также исследование их параметров и основных свойств.
В результате проведенных исследований был разработан новый способ формирования водородной плазменной струи.
При помощи электрических зондовых измерений была произведена оценка скорости распространения фронта плазменного джэта в различные моменты времени и на расстоянии от 1 до 5 см от плазменной пушки. С помощью оптического хронографа была оценена скорость основной массы плазмы, которая закономерно оказалась меньше скорости фронта тока.
При помощи спектральной диагностики было доказано, что плазменный джэт действительно состоит в основном из водорода. По отношению интегралов линий водорода и исходя из расчетов ударно-столкновительной излучательной модели была оценена концентрация ионов джета. Также исходя из условия равновесия Беннета была оценена концентрация на разном расстоянии от катода в разные моменты времени. Оба метода показали схожие результаты.
Полученные спектральные данные в сочетании с оптическими и электрическими измерениями позволят провести моделирование процесса формирования таких плазменных структур. Также при создании математической модели распространения плазменного водородного джета, будет возможно провести верификацию модели, сопоставляя результаты теоретических расчетов с экспериментальными данными, представленными в настоящей работе.
При помощи электрических зондовых измерений была произведена оценка скорости распространения фронта плазменного джэта в различные моменты времени и на расстоянии от 1 до 5 см от плазменной пушки. С помощью оптического хронографа была оценена скорость основной массы плазмы, которая закономерно оказалась меньше скорости фронта тока.
При помощи спектральной диагностики было доказано, что плазменный джэт действительно состоит в основном из водорода. По отношению интегралов линий водорода и исходя из расчетов ударно-столкновительной излучательной модели была оценена концентрация ионов джета. Также исходя из условия равновесия Беннета была оценена концентрация на разном расстоянии от катода в разные моменты времени. Оба метода показали схожие результаты.
Полученные спектральные данные в сочетании с оптическими и электрическими измерениями позволят провести моделирование процесса формирования таких плазменных структур. Также при создании математической модели распространения плазменного водородного джета, будет возможно провести верификацию модели, сопоставляя результаты теоретических расчетов с экспериментальными данными, представленными в настоящей работе.
