Устройство для получения плотной высокотемпературной плазмы в z-пинче

Устройство предназначено для использования в области плазменной электротехники, в частности в области получения плотной высокотемпературной плазмы при радиальной имплозии лайнерной системы в конфигурации Z-пинча, может найти применение при разработке устройств для генерирования мощных импульсов рентгеновского излучения, при исследовании уравнений состояний веществ, пробегов излучения, переноса излучения в сложных геометриях, свойств неравновесной плазмы и т.д., при исследованиях в области физики плазмы при высоких плотностях энергии. Импульсный источник питания подключен к двум электродам, установленным в вакуумной камере на расстоянии друг от друга. Между ними расположен осесимметричный лайнерный каскад, содержащий систему электропроводящих элементов с углом закрутки ϕ₁ относительно оси каскада. На другом диаметре между электродами расположен коаксиально, по меньшей мере, еще один лайнерный каскад, содержащий систему электропроводящих элементов с противоположным углом закрутки ϕ₂. Электропроводящие элементы выполнены прямолинейными или спиралевидными из проволочек, фольги, в виде напыленного на подложку металлического слоя или из их сочетания. Угол закрутки электропроводящих элементов в одном каскаде выбран равным 0<ϕ₁≤60, а в другом каскаде - 60≤ϕ₂<0. Повышается температура и плотность плазмы. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к плазменной электротехнике, в частности к области получения плотной высокотемпературной плазмы при радиальной имплозии лайнерной системы в конфигурации Z-пинча. Изобретение может найти применение при разработке различных устройств: для генерации мощных импульсов рентгеновского излучения, при исследовании уравнений состояний веществ, пробегов излучения, переноса излучения в сложных геометриях, свойств неравновесной плазмы, газодинамических неустойчивостей и процессов турбулентного перемешивания, газодинамических процессов сжатия и других исследованиях в области физики плазмы при высоких плотностях энергии.

Известно «Устройство для осуществления пинча с помощью электрически взрываемых проводников», автор А.Е.Дубинов, патент RU №2171016, Кл. Н05Н 1/06, опубл. в БИ от 20.07.2001 г. Устройство содержит кольцевые коаксиальные электроды, расположенные на расстоянии друг от друга по оси, две или более проволочки, каждая из которых одним концом контактирует с одним кольцевым электродом, а другим - с другим кольцевым электродом. Импульсный источник тока подключен к кольцевым электродам. Каждая из проволочек выполнена в виде спиральной винтовой линии с переменным диаметром, который в плоскостях кольцевых электродов равен диаметру этих электродов. В некоторой плоскости, параллельной плоскостям кольцевых электродов и находящейся между ними, диаметр винтовых линий каждой проволочки равен нулю, в то время как кривизна каждой проволочки в точке пересечения с этой плоскостью отлична от нуля.

При пропускании через проволочки импульса тока происходит электрический взрыв проволочек и переход их в плазменное состояние, самосжатие (пинчевание) плазмы с образованием неустойчивости типа перетяжки, которая служит, например, источником рентгеновского излучения. Перетяжка локализована в данном случае в месте точечного контакта проволочек друг с другом. Основным недостатком данного устройства является крайне малая доля массы вещества всего проводника, образующая плотную высокотемпературную плазму перетяжки, и, как следствие, ее малые пространственные размеры. Все это обуславливает низкие абсолютные значения флюенсов генерируемого рентгеновского излучения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для получения плотной высокотемпературной плазмы в Z-пинче: Т.А.Golub, N.B.Volkov, R.V.Spielman. "Multiwire screw-pinch loads for generation of terawatt x-ray radiation", Appl. Phys. Lett., v.74, N 24, p.3624-3626. Устройство по прототипу содержит импульсный источник питания, подключенный к двум электродам, установленным в вакуумной камере на расстоянии друг от друга, между которыми расположен осесимметричный лайнерный каскад, содержащий систему электропроводящих элементов с углом закрутки ϕ₁ относительно оси каскада. Концы крепления электропроводящих элементов, выполненных в виде прямолинейных проволочек, расположены на каждом из электродов по окружностям одинакового диаметра таким образом, что противоположные места закрепления каждой проволочки смещены (повернуты) в азимутальном направлении друг относительно друга. В этом устройстве, исходно представляющем собой перекрученную многопроволочную сборку с формой однополостного гиперболоида вращения, осуществляется Z-пинч. При пропускании через сборку электрического тока магнитное поле кроме азимутальной имеет и аксиальную составляющую так, что в образующемся плазменном лайнере естественным образом возникает «шир» магнитного поля (т.е. результирующие магнитные силовые линии имеют угол закрутки, меняющийся по толщине лайнерной системы), а также приобретается вращательный момент, подавляющий развитие разрушительных магнитогидродинамических (МГД) неустойчивостей. Данные факторы обуславливают возможность реализации высоких степеней устойчивого радиального сжатия Z-пинча с сохранением исходной аксиальной симметрии. Однако недостатком данного устройства является то, что значительная (десятки процентов) доля подводимой к лайнерной нагрузке электромагнитной энергии идет не на увеличение конечной тепловой энергии пинча, а расходуется на совершение работы по компрессии аксиального магнитного потока, охватываемого схлопывающимся плазменным лайнером.

При создании данного изобретения решалась задача создания устройства на основе Z-пинча, характеризующегося устойчивым процессом радиального сжатия и высокими результирующими параметрами плазмы.

Техническим результатом при решении данной задачи является повышение конечных температуры и плотности макроскопических объемов плазмы в результате получения более высоких степеней сжатия плазмы вследствие подавления развития МГД неустойчивостей в ускоряемой лайнерной системе.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для получения плотной высокотемпературной плазмы в Z-пинче, содержащим импульсный источник питания, подключенный к двум электродам, установленным в вакуумной камере на расстоянии друг от друга, между которыми расположен осесимметричный лайнерный каскад, содержащий систему электропроводящих элементов с углом закрутки ϕ₁, в заявляемом устройстве между электродами на другом диаметре коаксиально установлен, по меньшей мере, еще один лайнерный каскад, содержащий систему электропроводящих элементов с противоположным углом закрутки ϕ₂. Угол закрутки электропроводящих элементов в одном каскаде выбран равным 0°<ϕ₁≤60°, а в другом каскаде - 60°≤ϕ₂<0°. Электропроводящие элементы в каскадах могут иметь вид не только прямолинейных, но и спиралевидных отрезков. Кроме того, электропроводящие элементы могут быть выполнены из металлических проволочек, фольги, напыленных на подложку металлических слоев или из их сочетания.

Использование двухкаскадной коаксиальной лайнерной системы, содержащей в разных каскадах противоположно закрученные электропроводящие элементы, приводит к тому, что при протекании через подобную систему электрического тока возникает такая суперпозиция генерируемых магнитных полей, при которой аксиальная компонента результирующего магнитного поля в основном сосредоточена в кольцевом объеме между каскадами. В частности, расчетные и экспериментальные данные показывают, что в пределах выбранных диапазонов значений углов закрутки ϕ₁ и ϕ₂ электропроводящих элементов в двухкаскадной лайнерной системе можно существенно (на порядок величины и более) уменьшить значение результирующего аксиального магнитного потока, охватываемого внутренним каскадом. Данная конфигурация, с одной стороны, приводит к тому, что общие с однокаскадным устройством-прототипом свойства - наличие «шира» результирующего магнитного поля и азимутального вращательного момента плазмы - обуславливают повышенную устойчивость лайнерной системы к развитию в ней разрушающих МГД неустойчивостей. С другой стороны, наличие отличительного признака - отсутствие охватываемого внутренним каскадом аксиального магнитного поля, противодействующего процессу радиальной имплозии многокаскадного Z-пинча, - обуславливает тот факт, что в заявляемом устройстве введенная в камеру электромагнитная энергия расходуется в основном на увеличение кинетической энергии лайнерной системы. В результате последующего пинчевания вещества на оси камеры возможно получение макрообъемов (V>0.01 см³) плотной (ρ>0.1 г/см³) высокотемпературной (T>100 эВ) плазмы.

На чертеже изображено устройство для получения высокотемпературной плазмы.

Заявляемое устройство для получения плотной высокотемпературной плазмы в Z-пинче содержит импульсный источник питания 1, подключенный к двум электродам 2 и 3, которые расположены в вакуумной камере 4. Электроды 2 и 3 установлены на расстоянии друг от друга и между ними расположен осесимметричный лайнерный каскад 5, содержащий систему электропроводящих элементов 6, с углом закрутки ϕ₁ относительно оси каскада. На другом диаметре между электродами расположен коаксиально, по меньшей мере, еще один лайнерный каскад 7, содержащий систему электропроводящих элементов 8 с противоположным углом закрутки ϕ₂. Угол закрутки электропроводящих элементов в одном каскаде выбран равным 0°<ϕ₁≤60°, а в другом каскаде - 60°≤ϕ₂<0°. Электропроводящие элементы 6 и 8 в каскадах 5 и 7 могут быть выполнены прямолинейными или спиралевидными. Электропроводящие элементы могут быть выполнены из проволочек, фольги, напыленных на подложку металлических слоев или из их сочетания.

В примере реализации заявляемого устройства в качестве импульсного источника питания использовалось устройство на основе дискового магнитокумулятивного генератора энергии: А.И.Павловский и др. «Дисковые магнитокумулятивные генераторы», Труды третьей международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей, М., «Наука», 1984 г., стр.347-351. Этот генератор оснащен электровзрывным фольговым размыкателем и способен запитать лайнерную нагрузку импульсом тока с амплитудой ˜20 МА с характерным временем нарастания ˜1 мкс. Вакуумная камера имела форму пустотелого цилиндра радиусом 11 см, в котором на расстоянии L=2.5 см друг от друга расположены дисковые медные электроды радиусом 10.5 см. Между этими электродами коаксиально располагались два многопроволочных каскада со следующими параметрами. Внешний каскад имел начальный радиус R₁=10 см и состоял из N₁=360 прямолинейных отрезков вольфрамовых проволочек диаметром 11 мкм, закрученных относительно оси каскада на угол ϕ₁=45°. Внутренний каскад имел начальный радиус R₂=9.8 см и состоял из N₂=360 прямолинейных отрезков вольфрамовых проволочек диаметром 11 мкм, закрученных относительно оси каскада на угол ϕ₂=-45°.

Работает заявляемое устройство следующим образом. При подаче электрического напряжения от генератора на двухкаскадную лайнерную нагрузку начинается рост тока через закрученные в противоположные стороны многопроволочные каскады. В такой конфигурации помимо азимутальной компоненты формируется аксиальная компонента магнитного поля, в основном сосредоточенная в кольцевой области между каскадами и имеющая величину Bz(t)≈μ₀·I₁(t)·tg(ϕ₁)/(2π·R₁), где I₁(t) - величина тока, протекающая по внешнему многопроволочному каскаду, μ₀ - магнитная проницаемость вакуума. При этом значение аксиальной магнитной индукции будет расти пропорционально протекающему току до тех пор, пока вещество электропроводящих элементов каскадов не подвергнется испарению вследствие джоулева нагрева (для вольфрамовых проволочек удельная выделенная энергия должна стать больше ˜1 кДж/г) и не начнется формирование из двух многопроволочных каскадов двухслойного плазменного лайнера. Далее, все увеличивающийся по лайнерной системе ток приводит к ее ускорению в радиальном направлении к оси. Вследствие наличия аксиального магнитного потока, захваченного в кольцевой области между каскадами, происходящая имплозия носит устойчивый магнитогидродинамический характер. К оси камеры двухслойный плазменный лайнер подлетает в компактном (по радиусу) состоянии с кинетической энергией, большей 1 МДж, которая в течение последующего процесса сжатия Z-пинча на оси переходит в тепловую энергию вольфрамовой плазмы. В результате работы заявляемого устройства происходит образование макрообъемов плотной высокотемпературной плазмы с параметрами, превышающими достигаемые в однокаскадном устройстве-прототипе.

Таким образом, согласно расчетным и экспериментальным данным в заявляемом устройстве для получения плотной высокотемпературной плазмы за счет увеличения кинетической энергии и конечной степени устойчивого радиального сжатия удалось повысить по сравнению с прототипом максимальные плотность и температуру плазмы ˜ в 2 раза.

1. Устройство для получения плотной высокотемпературной плазмы в Z-пинче, содержащее импульсный источник питания, подключенный к двум электродам, установленным в вакуумной камере на расстоянии друг от друга, между которыми расположен осесимметричный лайнерный каскад, содержащий систему электропроводящих элементов с углом закрутки ϕ₁ относительно оси каскада, отличающееся тем, что на другом диаметре между электродами расположен коаксиально, по меньшей мере, еще один лайнерный каскад, содержащий систему электропроводящих элементов с противоположным углом закрутки ϕ₂.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол закрутки электропроводящих элементов в одном каскаде выбран 0°<ϕ₁≤60°, во втором каскаде - 60°≤ϕ₂<0°.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электропроводящие элементы выполнены из проволочек.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электропроводящие элементы выполнены из фольги.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электропроводящие элементы выполнены из напыленного на подложку металлического слоя.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электропроводящие элементы выполнены в сочетании проволочек, фольги или напыленного на подложку металлического слоя.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электропроводящие элементы в каскадах выполнены прямолинейными или спиралевидными.