Тема: ФОРМИРОВАНИЕ ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

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.

Купить

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.

Купить