Экспериментальное исследование имплозии двухкаскадных плазменных лайнеров Чайковский Станислав Анатольевич

Введение к работе

Магнитное сжатие легких цилиндрических оболочек (лайнеров) током сильноточного генератора является одним из наиболее эффективных способов получения плотной высокотемпературной плазмы. В первой стадии имплозии происходит ионизация вещества, разгон лайнера и передача энергии генератора в кинетическую энергию вещества. В стадии кумуляции плазмы на оси направленная кинетическая энергия конвертируется в тепловую энергию ионов и электронов плазмы, генерируется мощный импульс теплового излучения плазмы.

Актуальность диссертационной работы связана с большим интересом к плазменным лайнерам с точки зрения практических приложений и фундаментальных исследований. Интенсивно ведутся работы по реализации управляемого термоядерного синтеза при обжатии мишени мощным мягким рентгеновским излучением плазмы лайнера. Возможность генерации мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения привлекательна для фундаментальной спектроскопии, микролитографии, импульсной микроскопии живых биологических объектов. При финальной скорости сжатия выше 2-10 см/с плазма может быть нагрета до температуры, при которой интенсивно возбуждаются и излучают в спектральном диапазоне выше 1 кэВ электроны. К-оболочки ионов с зарядом ядра больше 10. Мощные импульсы излучения электронов К-оболочки (К-излучения) представляют интерес для исследований по воздействию излучения на вещество и для накачки лазеров рентгеновского диапазона. Высокие плотность и температура плазмы, большое отношение длины плазменного пинча к его радиусу перспективны с точки зрения получения лазерного излучения в мягкой рентгеновской области спектра.

Основной проблемой, которая существенно ограничивает возможность

практического использования плазменных лайнеров, является неустойчивый

гас НАЦИОНАЛЬНАЯ
3 БИБЛИОТЕКА

_м__{амиааМММіа}и-шатМ '

характер их сжатия. Наиболее разрушительными являются неустойчивости
рэлей-тейлоровского (РТ) типа и крупномасштабные возмущения, связанные с
азимутальными (многопроволочные лайнеры) или аксиальными (газовые
лайнеры) неоднородностями исходного лайнера. Основным

экспериментальным фактом, отражающим негативное влияние

неустойчивостей, является ограничение на степень радиального сжатия плазмы. Анализ экспериментальных данных показывает, что без применения специальных методов стабилизации степень радиального сжатия лайнера не превышает 10*20.

Ограничение на степень радиального сжатия приводит к ограничению финального радиуса, а, следовательно, финальной плотности и интенсивности излучения плазмы.

Особенно сильно влияние ограниченной степени радиального сжатия сказывается в задачах, где требуется использовать лайнер с большим ( > 3 см) начальным радиусом. В последние годы именно такие задачи вызывают повышенный интерес. К ним относится, например, задача получения мощных импульсов К-излучения на генераторах с большим временем нарастания тока (т и 1 мкс ), которые- конструктивно значительно проще и менее дороги по сравнению с быстрыми (т « 100 НС ) генераторами. Вследствие развития в ходе сжатия неустойчивостей эффективность генерации К-излучения при микросекундном времени нарастания тока крайне низка.

Цель работы

Перспективным методом стабилизации сжатия, повышения эффективности генерации излучения может быть использование двухкаскадной структуры лайнера. По сравнению с традиционными однокаскадными лайнерами, которые представляют собой полый или сплошной плазменный цилиндр, исходный "двухкаскадный" лайнер состоит из двух коаксиальных оболочек (рис.1).

Рисі. Одіюкаскадная (слева) и двухкаскадная (справа) схемы лайнера

К началу диссертационной работы было известно, что применение двухкаскаднои структуры лайнера и аксиального магнитного поля позволяет получать тонкие однородные пинчи диаметром 100 мкм, что соответствует 100-кратному радиальному сжатию внутреннего каскада. Однако, до конца невыясненным оставался вопрос о массе плазмы, сосредоточенной в наблюдаемом на интегральной обскурограмме пинче. О высокой степени радиального сжатия внутреннего каскада можно говорить лишь в том случае, если масса плазмы пинча соответствует исходной массе внутреннего каскада.

Возможность получения более компактного пинча (по сравнению с однокаскадными лайнерами) была показана в экспериментах с двухкаскадными лайнерами и без магнитного поля. Однако, вопрос о механизме более компактного сжатия плазмы в двухкаскаднои схеме лайнера оставался открытым.

Отмечалось, что введение дополнительной оболочки приводит к увеличению мощности и выхода излучения в диапазоне выше 1 кэВ. Тем не менее, не имелось корректных подтверждений высокой для энергетики конкретного генератора эффективности генерации излучения в диапазоне спектра выше 1 кэВ при использовании двухкаскадного лайнера.

Настоящая работа имела следующие цели:

1. Исследование и сравнительный анализ эффективности генерации К-излучения при сжатии одно- и двухкаскадных газовых лайнеров. Оптимизация исходных параметров двухкаскадного лайнера для генерации К-излучения. Определение плотности и температуры плазмы в финальной стадии сжатия лайнера по ее собственному рентгеновскому излучению.

2. Исследование влияния аксиального магнитного поля на мощность и выход К-излучения двухкаскадного лайнера.

3. Разработка и апробация методики формирования однородного
плазменного столба из веществ, пригодных для получения инверсии
населенности уровней и генерации лазерного излучения в рентгеновском
диапазоне спектра при столкновительной накачке.

4. Исследование структуры двухкаскадного лайнера в процессе сжатия и
возможных механизмов формирования компактного пинча в двухкаскадной
схеме лайнера на микросекундном генераторе.

Научная новизна

По мнению автора, новыми являются следующие результаты: 1. Экспериментально показана возможность достижения высокой (до 45) степени радиального сжатия плазмы внутреннего каскада двухкаскадного лайнера в отсутствие продольного магнитного поля. За счет высокой степени радиального сжатия плазмы внутреннего каскада повышена эффективность генерации К-излучения. 2. Разработана схема создания двухкаскадного лайнера с внешним газовым каскадом и внутренним каскадом, сформированным с помощью струи низкотемпературной плазмы, истекающей из капиллярного разряда. При сжатии такого двухкаскадного лайнера получен однородный столб железосодержащей плазмы с параметрами близкими к оптимальным с точки

зрения получения инверсии и лазерной генерации на 3/7-3$ переходах неоноподобных ионов железа за счет столкновительной накачки.

3. Показано, что применение двухкаскадной структуры лайнера на генераторах с фронтом импульса тока 500ч-1000 не позволяет повысить эффективность генерации К-излучения в спектральном диапазоне около 1 кэВ.

4. Предложен механизм обострения импульса тока на внутреннем каскаде за счет отрыва внешнего каскада от электрода в процессе его сжатия, при изначально значительной угловой расходимости внешнего каскада.

5. Экспериментально показано, что применение аксиального магнитного поля позволяет увеличить мощность К-излучения в спектральном диапазоне около 1 кэВ.

Защищаемые положения

Применение лайнера двухкаскадной структуры с отношением начального радиуса внешней оболочки к начальному радиусу внутренней 3*5 позволяет в 1.5-5-2 раза повысить эффективность генерации излучения с энергией квантов hv > 1 кэВ.

На основании измерений плотности ионов по собственному рентгеновскому излучению плазмы показано, что масса плазменного пинча, образованного при сжатии двухкаскадного лайнера, сопоставима с массой внутреннего каскада, что подтверждает возможность достижения высокой (до 45) степени радиального сжатия плазмы в двухкаскадной схеме лайнера.

Применение струи плазмы капиллярного разряда в качестве внутреннего каскада двухкаскадного лайнера позволяет формировать однородный по длине столб плазмы диаметром 0.1-0.2 мм из веществ с зарядом ядра 24*29, на основе которого возможна реализация рентгеновского лазера со столкновительной накачкой на 3p-3s переходах неоноподобных ионов.

Введение аксиальною маг питою ноля существенно улучшаем однородность финального пинча, формируемого при сжатии двухкаскадпою лаПнера с начальным радиусом внешнего каскада до 4 см, при этом удается увеличить мощность К-излучения в спектральном диапазоне около 1 кэВ.

Научная и практическая ценность

1. Результаты проведенных исследований вносят существенный вклад в понимание процессов формирования компактных пинчей при сжатии двухкаскадных плазменных лайнеров.

2. Продемонстрирована возможность создания мощных источников мягкого рентгеновского излучения на основе плазменных лайнеров, в которых применяются различные способы стабилизации, такие как стабилизация аксиальным магнитным полем и каскадирование лайнеров.

3. Показана перспективность использования каскадированных лайнеров для повышения эффективности генерации К-излучения на генераторах с временем нарастания тока и 1 мкс.

4. Обобщение результатов экспериментов, выполненных автором, может быть использовано для выбора начальных параметров двухкаскадного лайнера, обеспечивающих высокий выход К-излучения, при планировании экспериментов по генерации К-излучения на генераторах с временем нарастания тока 100-И 000 не.

Апробация работы

Представленные в работе результаты докладывались автором на

Международной конференции по коротковолновому излучению и его

применениям, Звенигород, 1994; на Международной конференции по

импульсным лазерам на переходах атомов и молекул, Томск, 1995; на

Международной конференции по физике плазмы, Нагойя, Япония, 1996; на Международной конференции по плотным Z-пинчам, Альбукерке, США, 2002; на семинарах ИСЭ СО РАН, а также были представлены и докладывались на Международной конференции по плотным Z-пинчам, Ванкувер, Канада, 1997.