Устройство для получения высокотемпературной плазмы на основе многопроволочного лайнера

 

Изобретение относится к технике высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке мощных источников рентгеновского излучения. В устройстве для получения высокотемпературной плазмы на основе многопроволочного лайнера, представляющем собой систему прямолинейных металлических проволочек, концы которых размещены на двух соосно установленных и разнесенных вдоль оси кольцевых электродах так, чтобы место контакта одного конца каждой проволочки было размещено на одном кольцевом электроде, а место контакта другого конца - на другом кольцевом электроде, кольцевые электроды подключены к импульсному источнику тока. На металлические проволочки нанесено диэлектрическое покрытие. Дополнительным отличием может быть то, что плотность материала диэлектрического покрытия превышает плотность материала проволочек. Технический результат: исключение возможности образования низкоплотной плазменной короны, за счет чего повышается энергетический выход рентгеновского излучения. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике высокотемпературной плазмы и может быть использовано при разработке мощных источников рентгеновского излучения.

Известны устройства для получения высокотемпературной плазмы на основе многопроволочных лайнеров, представляющих собой систему прямолинейных металлических проволочек, концы которых размещены на двух соосно установленных и разнесенных вдоль оси кольцевых электродах так, чтобы место контакта одного конца каждой проволочки было размещено на одном кольцевом электроде, а место контакта другого конца - на другом кольцевом электроде, причем сами кольцевые электроды подключены к импульсному источнику тока (см. с.256 [1] - Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. М.: Энергоатомиздат, 1990). Принцип действия таких устройств основан на пропускании мощного импульса тока мегаамперного диапазона по проволочкам, приводя к их плавлению и самосжатию лайнера к оси давлением собственного магнитного поля. В процессе сжатия лайнера проволочки приобретают значительные скорости и кинетические энергии, и в момент их соударения друг с другом материал проволочек переходит в высокотемпературное плазменное состояние с высокой плотностью, становясь источником мощного рентгеновского излучения.

Известны также устройства для получения высокотемпературной плазмы, содержащие пару многопроволочных цилиндрических лайнеров, когда один из них, большего диаметра, охватывает другой, меньшего диаметра [2] (Sanford T.W.L, Olson R.E., Mock R.C. et al. "Dynamics of a Z-pinch x-ray source for heating inertial-confinement-fusion relevant hohlraums to 120-160 eV", Physics of Plasmas, 2000, v.7, 11, p.4669-4682) или когда два одинаковых цилиндрических лайнера разнесены по оси [3] (Leeper R.J., Alberts Т.Е., Asay J.R. et al. "Z pinch driven inertial confinement fusion target physics research at Sandia National Laboratories", Nuclear Fusion, 1999, v.39, 9Y, p.1283-1294). Кроме того, многопровочные лайнеры могут иметь не цилиндрическую, а иную форму, как, например, в [4] (Golub T.A., Volkov N.B, Spielman R.V., Gondarenko N.A. "Multiwire screw-pinch loads for generation of terawatt x-ray radiation", Appl. Phys. Lett., 1999, v.74, 24, p.3624-3626) лайнер выполнен в виде однополостного гиперболоида вращения.

В ряде случаев внутри многопроволочного лайнера может находиться мишень из малоплотного материала, при соударении с которым также генерируется интенсивное тормозное излучение [2], иногда вблизи лайнера может располагаться термоядерная мишень [3]. Из всех вышеперечисленных известных устройств для получения высокотемпературной плазмы на основе многопроволочных лайнеров устройство, выбранное нами за прототип [5] (Deeney С., Coverdate С.А., Douglas M. R. et al. "Radiative properties of high wire number tungsten arrays with implosion times up to 250 ns", Physics of Plasmas, 1999, v.6, 9, р.3576-3586), содержит кольцевые соосные электроды, подключенные к импульсному источника тока, и систему прямолинейных электропроводящих проволочек, соединенных с электродами и расположенных между ними по образующим цилиндра.

Недостатком всех известных устройств [1-5] является следующее обстоятельство. При достаточно быстром темпе нарастания тока в лайнере у поверхности проволочек образуется низкоплотная плазменная корона - продукт испарения материала проволочек. Под действием давления собственного магнитного поля тока в лайнере низкоплотная плазма ускоряется к оси системы, а плотные сердцевины проволочек (керны) остаются на месте. Это приводит к тому, что кинетическая энергия вещества вблизи оси мала, и выход рентгеновского излучения невысок.

При использовании предлагаемого устройства решалась задача исключения возможности образования низкоплотной короны.

Техническим результатом данного изобретения является повышение энергетического выхода рентгеновского излучения при срабатывании устройства.

Этот результат достижим за счет того, что в известном устройстве для получения высокотемпературной плазмы, содержащем кольцевые соосные электроды, подключенные к импульсному источнику тока, и систему прямолинейных электропроводящих проволочек, соединенных с электродами и расположенных между ними по образующим цилиндра, новым является то, что электропроводящие проволочки выполнены с диэлектрическим покрытием. Дополнительным отличием является то, что плотность материала диэлектрического покрытия превышает плотность материала проволочек, а погонная масса диэлектрического покрытия всех проволочек выполнена меньшей погонной массы материала проволочек.

Нанесение диэлектрического покрытия на проволочки исключает возможность образования низкоплотной короны в первые моменты плавления проволочек, а магнитное поле тока, протекающего по лайнеру, придаст проволочкам импульс к оси лайнера. При этом проволочки будут двигаться к оси как целое. Если же плотность диэлектрического покрытия превышает плотность материала проволочек, то расширение проволочек при их движении не будет приводить к гидродинамической неустойчивости типа Рихтмайера-Мешкова, что имеет место в [1-5], так как ускорение в сторону большей плотности стабилизирует неустойчивость, а в сторону меньшей способствует ее развитию [6] (Иногамов Н.А., Демьянов А. Ю., Сон Э.Е. Гидродинамика перемешивания. М.: МФТИ, 1999). Величина превышения плотности диэлектрического покрытия над плотностью материала проволочек может быть любой. Однако значение этой величины будет влиять на величину скорости затухания возмущений, возникающие в проволочке (чем больше разница между плотностями покрытия и проволочки, тем быстрее будут затухать эти возмущения в проволочке). Превышение величины (которая может принимать любые значения) погонной массы проволочки над погонной массой покрытия приведет к тому, что движение такой проволочки существенно не замедлится по сравнению с движением этой же проволочки, но без покрытия.

На чертеже изображено заявляемое устройство для получения высокотемпературной плазмы на основе многопроволочного лайнера.

На чертеже обозначено: 1 - импульсный источник тока, 2 и 3 - кольцевые электроды, 4 - проволочки многопроволочного лайнера, 5 - диэлектрическое покрытие проволочек.

В качестве импульсного источника тока может быть использован генератор тока на основе дисковых взрывомагнитных генераторов типа тех, которые описаны в [7] (Демидов В. А., Селемир В.Д., Казаков С.А. и др. Многомодульный взрывомагнитный источник энергии "Спрут". Исследования по физике плазмы, Саров, 1998, с.145-159).

Проволочки изготовлены из металла, имеют диаметр, например, 25 мкм и длину 15 мм и в количестве 150 шт. натянуты параллельно друг другу и равномерно по образующим цилиндра диаметром 10 мм на кольцевые электроды.

Если проволочки выполнены из алюминия (с плотностью 2,7 г/см³ и погонной массой 1,32•10^-5 г/см), то на их поверхность нанесено, например, керамическое покрытие, такое как СаТiO³ (с плотностью 4,1 г/см³ и погонной массой 3,34•10^-6 г/см) толщиной 1-5 мкм. Если же проволочки выполнены из более тяжелого металла, например из меди (с плотностью 8,94 г/см³ и погонной массой 4,93•10^-5 г/см), то на них наносится, например, покрытие из окиси тория (ТhО²) (с плотностью 10,03 г/см³ и погонной массой 8,19•10^-6 г/см) с такой же толщиной.

Устройство работает следующим образом. При срабатывании импульсного источника тока по многопроволочному лайнеру пропускается импульс тока амплитудой 1-5 МА и длительностью 200-500 нc. Проволочки начинают плавиться и приобретают центростремительный импульс. После схождения проволочек к оси лайнера проволочки переходят высокотемпературное плазменное состояние. Плазма при этом является источником мощного импульса рентгеновского излучения.

Таким образом, технический результат полностью достигнут за счет технического решения, изложенного в формуле изобретения, то есть энергетический выход рентгеновского излучения по сравнению с прототипом может быть увеличен по расчетным данным в 1.5..1.8 раз.

Формула изобретения

1. Устройство для получения высокотемпературной плазмы на основе многопроволочного лайнера, содержащее кольцевые соосные электроды, подключенные к импульсному источнику тока, и систему прямолинейных электропроводящих проволочек, соединенных с электродами и расположенных между ними по образующим цилиндра, отличающееся тем, что электропроводящие проволочки выполнены с диэлектрическим покрытием.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что погонная масса диэлектрического покрытия всех проволочек выполнена меньшей погонной массы материала проволочек.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что плотность материала диэлектрического покрытия превышает плотность материала проволочек.

РИСУНКИ

Рисунок 1