Оптимизация мощных импульсных ускорителей плазмы

• Автор: Умрихин, Николай Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 198 c. : ил

Глава I. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ

1.1. Режимы ускорения

1.2. Энергетическая эффективность импульсных плазменных ускорителей

1.3. Масштабные соотношения

Глава II. СХЕМА РАСЧЕТА ИМПУЛЬСНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ

2.1. Обоснование модели ускорения

2.2. Метод расчета

2.3. Результаты оптимизации

Глава III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД

3.1. Схема установки и обоснование ее выбора

3.2. Емкостной накопитель

3.3. Элементы конструкции ускарителей
£ • •
3.4. Система импульсного напуска газа
3.5. Плазмопровод
Глава IV. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ
4.1. Измерение электротехнических параметров разряда
4.2. Скоростное фотографирование
4.3. Магнитные зонды
4.4. Интерферометрия
4.5. Корпускулярные методы
4.6. Калориметрические и пьезоэлектрические измере4.7. Спектральные измерения
4.8. Измерения плотности нейтрального газа

4.9. Исследование нейтронного и рентгеновского излучения
Глава V. ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ МК
5.1. Режим ускорения большого количества частиц
5.2. Режим получения высоких скоростей потока
5.3. Проверка масштабных соотношений
Глава V1. ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ МК
6.1. Исследование режимов ускорения плазмы в ускорителе с емкостным накопителем с параметрами
С0= 700 мкФ, U0= 30 кВ
6.1.1. Центральный напуск газа
6.1.2. Кольцевой напуск газа
6.2. Исследование режимов ускорения плазмы в ускорителе с параметрами накопителя У= 1,4 МДж,
(J0 = И50 мкФ
6.2.1. Сплошной внешний электрод
6.2.2. Прутковый внешний электрод
Глава VП. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

Электродинамическое ускорение квазинейтральной плазмы основано на открытом Ампером законе взаимодействия магнитного поля с токонесущим проводником. Систематическое экспериментальное и теоретическое изучение этого метода разгона плазмы было начато в первой половине пятидесятых годов в рамках программы по управляемому термоядерному синтезу и было подготовлено исследованиями линейных пинчей с большой скоростью нарастания разрядного тока /1,2,3,4/. В результате этих работ была осознана определяющая роль сил инерции и скин-эффекта в динамике мощных импульсных разрядов. Непосредственным толчком к развитию ускорительной тематики послужила серия исследований /5,6,7/, предпринятая в целях разработки методов инжекции плазмы в термоядерные устройства.
Основным преимуществом электродинамического метода ускорения вещества является возможность обойти трудности, связанные с дефокусировкой пучка под действием сил объемного заряда. Квазинейтральность плазмы, по крайней мере в принципе, позволяет получить достаточно большое количество ускоренных частиц в импульсе. Их скорость, как показывают расчеты, может достигать вели-/2
чины порядка 10 м/с. Термализация направленной энергии таких потоков должна приводить к образованию плазмы с температурой торможения дейтерия ~ 10 кэВ. Отсюда становится понятным постоянный интерес физиков, занимающихся исследованиями свойств высокотемпературной плазмы, к описываемому методу ее получения.
Первые же эксперименты, проведенные по программе УТС, показали, что плазменные ускорители являются генераторами заря-

женных частиц, движущихся со скоростью ~ 10 м/с. КПД преобразования энергии конденсаторных накопителей в кинетическую энергию потоков достигал (30-«-40)%. Эти успехи в сочетании с просто-

тема уравнений решается с начальными условиями: (у - с0и0.
2=0 » г=0 . Ф-0 при t
Г Л]ч'/ / /
Для проведения расчетов величины L (zj , ГГЬ (2J и R необходимо представить в явном виде. В случае коаксиальных ускорителей L - ^jjrj &1/Ь ^ » гДе R и - радиусы внешнего и
внутреннего электродов, - магнитная проницаемость. Обычно R(?)h 'Е (?) = COtuyt- , и погонная индуктивность Е -^0f*l2irU -g постоянна по длине системы. Однако, сила 1~И~ Отсюда видно, что для профилированных электродов
с растущей к выходу из системы величиной L можно ожидать увеличения эффективности разгона плазмы. Кроме того, энергетический КЦЦ ускорителя зависит от параметра (г =■ дЕ/Е0~ E/Lq* Оценки показывают, что в системах с L = СХЖМ/ t предназначенных для

генерации сгустков, движущихся со скоростью ТГ^ Ю м/с, длина электродов достигает десятка метров. Профилировка электродов позволяет уменьшить ее до (1,5-42) м.
Выражение для массы П (?) непрозрачного токового слоя без потерь имеет ВИД Jo n,(z)(R (?)-''£2(Z)) dz } где
- плотность газа в зазоре,jTl^ - масса иона.
Что касается сопротивления R, , то его величину проще всего оценить из энергетических соотношений. Известно, /2/, что в быстрых разрядах температура электронов "замораживается" на уровне нескольких электрон-вольт, джоулевы потери уравновешиваются потерями на ионизацию и излучение. Мощность последних определяется ценой электрона и равна
dE _ _ d£ N _ _s_ dnt __ Elf dm
dt' dt ' < dt~~ пк'Ъ ’ { ы
С другой стороны, dE/dt - R^- . Отсюда R •
Выбор приведенной системы уравнений был определен резуль-