Транспортировка и концентрация энергии РЭП и Z-пинчей

• Автор: Королев, Валерий Дмитриевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 235 с. : ил.

Ведение

Глава 1. Транспортировка сильноточного РЭП в нейтральном газе.

1.1. Краткий обзор работ по равновесию и устойчивости РЭП, инжектированного в нейтральный газ и плазму.

1.1.1. Равновесные конфигурации РЭП.

1.1.2. Устойчивость РЭП распространяющегося в плазме и нейтральном газе.

1.2. Исследование равновесия РЭП, инжектированного в нейтральный газ.

1.2.1. Установка и диагностическая аппаратура.

1.2.2. Экспериментальные результаты.

1.3. Изучение резонансной резистивной неустойчивости РЭП в газе.

1.3.1. Эксперимент.

1.3.2. Обсуждение результатов.

1.4. Неустойчивость РЭП в слабом продольном магнитном поле.
1.4.1. Постановка эксперимента.
1.4.2. Экспериментальные результаты.
1.4.3. Выводы.
1.5. Транспортировка ленточного РЭП в сходящемся магнитном поле.
Глава 2. Концентрация энергии в магнитно-изолированных вакуумных линиях.
. 2.1. Потери в линиях с магнитной изоляцией
2.1.1. Г еометрические неоднородности.
2.1.2. Движение плазмы в линии.
2.1.3. Ионные потоки в линии.
2.2. Транспортировка энергии по коническим линиям.
2.2.1. Постановка задачи.
2.2.2. Экспериментальные результаты.
2.2.3. Краткие выводы.
2.3. Влияние плазмы на динамику РЭП в диоде на выходе линии с магнитной изоляцией.
2.3.1. Постановка задачи.
2.3.2. Эксперимент.
2.3.3. Формирование плазменных потоков в трёхполосковой линии с магнитной самоизоляцией.
2.3.4. Краткие выводы.
2.4. Исследование сильноточного диода, предварительно заполненного плазмой.
2.5. Исследование транспортировки энергии в плоских линиях с малыми зазорами (Т < 6 мм)
2.5.1. Постановка эксперимента.
2.5.2. Экспериментальные результаты.
2.5.3. Выводы.
Глава 3. Вакуумные выходные устройства с магнитной самоизоляцией.
3.1 Краткий обзор работ по вакуумным концентраторам энергии
3.2. Импульсный вакуумный трансформатор с магнитной самоизоляцией.
3.2.1. Постановка задачи.
3.2.2. Исследование характеристик импульсного вакуумного трансформатора.
3.2.3. Вакуумный трансформатор с магнитной самоизоляцией установки Модуль А5-01.
3.3. Импульсный трансформатор на передающих линиях.

3.3.1. Введение
3.3.2. Исследование вакуумного концентратора с индуктивной нагрузкой
3.4. Концентрация энергии РЭП в конической МИВЛ на установке
Модуль А5 -01
3.4.1. Экспериментальное устройство и методы измерений
3.4.2. Экспериментальные результаты
3.5. Мощный наносекундный источник рентгеновского излучения
3.6. Сильноточный диод с ножевым катодом
3.6.1. Постановка эксперимента
3.6.2. Вольт-амперные характеристики ножевого диода
3.6.3. Динамика РЭП в диоде
3.6.4. Выводы
3.7. Вакуумный трехмерный концентратор энергии установки С-300
3.7.1. Расчеты концентратора энергии с лайнерной нагрузкой
3.7.2. Расчеты концентратора энергии, нагруженного на цилиндрические
диоды с ножевыми катодами
3.7.3. Экспериментальные результаты
3.7.4 Заключение
Глава 4. Исследование динамики магнитного сжатия легких газовых лайнеров
4.1. Обзор работ по электродинамическому сжатию газовых лайнеров
4.2. Постановка эксперимента по исследованию динамики газовых лазеров
4.2.1. Формирование сверхзвуковой газовой струи
4.2.2. Мишенный узел
4.2.3. Методы измерений
4.3. Изучение формирования и динамики сжатия двухоболочечного
пластикового лайнера с газовым наполнением
4.4. Экспериментальные исследования сжатия полых газовых струй
4.4.1. Изучение динамики ускорения газовых лайнеров
4.4.2. Экспериментальное исследование неустойчивости токовой оболочки
4.4.3. Стабилизация токовой оболочки продольным магнитным полем
4.4.4. Краткие результаты
Глава 5. Исследование динамики развития перетяжки быстрого Z-пинча
5.1. Обзор работ по быстрым Z-пинчам
5.2. Изучение развития перетяжки на установке Модуль А5-01
5.2.1. Постановка эксперимента
5.2.2. Экспериментальные результаты исследований углеводородных нитей
5.2.3. Экспериментальное изучение профилированных нагрузок на основе
агар-агара
5.2.4. Заключение
5.3. Исследование перетяжки Z-пинча на установке С-300
5.3.1. Описание мишенного узла и диагностического комплекса
5.3.2. Экспериментальные результаты
5.3.3. Результаты численного моделирование динамики пинча с учетом
образования плазмы
5.3.4. Измерение нейтронного и рентгеновского излучений из перетяжки
быстрого Z-пинча
5.3.5. Обсуждение результатов
Заключение
Список работ автора, вошедших в диссертацию
Список литературы
ВЕДЕНИЕ. Актуальность темы. Цели и задачи исследования.
Настоящая диссертация содержит результаты исследований некоторых вопросов применения релятивистских электронных пучков и быстрых 2-пинчей для поджига термоядерной мишени. Это направление получило интенсивное развитие благодаря развитию техники импульсных генераторов РЭП. Предложение Е. К. Завойского и Ф. Винтерберга о нагреве малого объёма Б-Т смеси релятивистским электронным пучком стимулировало появление нового направления в области инерционного синтеза [1,2]. Из анализа условий инициирования термоядерной реакции в Э-Т мишени следовало, что она осуществима для пучка релятивистских электронов с энергией 1-10 МэВ, током
10-100 МА и сфокусированным до размера 0,2-0,5 мм. Высокая интенсивность преобразования энергии, запасенной в импульсных генераторах напряжения в энергию релятивистских электронных пучков определило интерес, проявленный к УТС на основе РЭП. Осуществление этой проблемы потребовало решение задач создания генераторов РЭП высокой мощности 10й Вт и с полным запасом энергии > 10 МДж, транспортировки энергии и ёё концентрации на поверхности мишени. Наиболее эффективными способами передачи энергии являются: транспортировка электромагнитной энергии по магнитноизолированным вакуумным линиям (МИВЛ) и с помощью РЭП, распространяющихся по нейтральному газу или плазме. Однако первый способ приводит к уничтожению по крайней мере конечных частей МИВЛ, а при втором способе эффективность транспортировки снижается из-за развития разнообразных неустойчивостей в системе плазма-пучок. Кроме того, ограничения, накладываемые на фокусировку сильноточных РЭП на мишень, связанные со значительной расходимостью пучков, уменьшает концентрацию энергии. Помимо этого при облучении пучками мишени процесс разгона ее оболочки малоэффективен, так как большая часть энергии остается в тепловой и кинетической энергии разлетающихся наружу вещества аблятора.
Значительно более эффективным способом передачи энергии от генератора к оболочке является использование для разгона лайнера магнитного поля. Кинетическая энергия лайнера, ускоренного давлением магнитного поля до скоростей выше 107 см/с, может быть непосредственно использована для сжатия и нагрева плазмы или Б-Т смеси [3-5]. Использование техники генераторов РЭП позволяет значительно снизить требуемую энергию, необходимую для достижения условий зажигания до величины ~ 1 МДж. при длительности нарастания тока 10‘7 с [4,6]. Коэффициент преобразования энергии генератора в нагрузку в этом случае может достигать 40-70%. Однако реализация этого предложения требует решения задач пространственной концентрации энергии и сокращения длительности импульса до величины < 10 не. При этом существует принципиальная возможность использования кинетической энергии лайнера для обжатия мишени за время х ~ Д / V « 2-5 не ( где А - толщина лайнера, V- его скорость). Для реализации преимуществ лайнера как обострителя мощности необходимо перейти от двумерного сжатия к трехмерному. В работе [7] анализировалась схема передачи кинетической энергии охлопывающегося к оси лайнера прямым ударом квазисферической мишени. Другим подходом применения лайнера является конверсия его энергии в поток теплового излучения, близкого к равновесному с последующим преобразованием его в
В работе, выполненной на установке Майт [104], исследовался характер потерь в трехполосковой линии при изменении ее импеданса в результате увеличения межэлектродного зазора или уменьшения ширины. Такого типа переходы используются вблизи нагрузки или при объединении линий. Увеличение импеданса линии за переходом позволяет уменьшить долю тока, текущего в электронном, слое и тем самым уменьшить потери до необходимого уровня. Эксперименты показали, что электронные утечки появляются в области переходов и зависят от его конфигурации и величины нагрузки в конце линии. Потери увеличиваются с ростом импеданса при увеличении угла наклона катода или анода к направлению линии, а также с увеличением сопротивления нагрузки. Эффективность транспортировки тока через переходы с одинаковым увеличением импеданса или в результате изменения наклона катода, или уменьшения ширины была одинаковой. Наблюдаемые потери тока, по-видимому, связаны с неустойчивостью электронного потока в межэлектродном зазоре из-за появления градиента магнитного поля и дрейфа электронов к аноду. При этом эффективность передачи тока была более чувствительна к изгибам катода.
Концентрацию потока энергии на конечном этапе транспортировки энергии электромагнитных волн, возбуждаемых импульсными наносекундными генераторами высокой мощности, можно осуществлять с помощью конических линий с магнитной самоизоляцией [16,22,103,105,154]. Применение неоднородных линий связано с необходимостью обеспечить высокие плотности потока энергии на выходе линий с поперечными размерами ~ 1 см.
Использование однородных конических линий затруднительно, поскольку при требуемых сопротивлениях линий R~1 Ом межэлектродный зазор в конце их будет порядка 1 мм. Для столь малых зазоров велика вероятность их перезамыкания приэлектродной плазмой. Кроме того, в линиях с такими малыми зазорами могут возникнуть дополнительные потери, обусловленные появлением ионных токов утечки, источником которых является анодная плазма. Неоднородные линии позволяют избежать потерь за счёт увеличения межэлектродного зазора [105].
В отличие от цилиндрических линий с резким изменением импеданса, неоднородные конические линии характеризуются плавным изменением волнового сопротивления. При изменении волнового сопротивления вдоль линии появляются потери на всей поверхности положительного электрода. Например, если рассмотреть работу неоднородной конической линии в предельном режиме, у которой волновое сопротивление меняется от сечения к сечению, то и минимальный ток в ней будет непостоянен вдоль длины. В каждом сечении его МОЖНО ВЫЧИСЛИТЬ ПО переменному геометрическому фактору gj = ln'1 (X2i /гн) (где r2j И Гц - радиусы внешнего и внутреннего электродов в данном сечении) аналогично цилиндрической линии 1т;п = gi8,5i(y). Таким образом минимальный ток в каком-либо сечении обратно пропорционален волновому сопротивлению линии в этом сечении. Для неоднородной линии с увеличивающимся волновым сопротивлением минимальный ток падает от сечения к сечению вдоль длины, что приводит К дополнительному сбросу тока Az(ÖImjn/3z) в каждом сечении. Изучение работы неоднородных линий подтверждает эти соображения [22], в