УДК 533.9
экспериментальные установки по созданию плазменного фокуса и возможности для их моделирования
,
(СКГУ им. М. Козыбаева)
Плазменный фокус (ПФ) – это нестационарный сгусток плотной высокотемпературной дейтериевой плазмы, который является локализованным источником нейтронов [1]. В момент достижения максимального тока излучается небольшой импульс нейтронного и рентгеновского излучений. Так же плазменным фокусом называется электроразрядная установка, в которой создается такой сгусток плазмы.
В установках плазменного фокуса происходит формирование нецилиндрического z-пинча. Устройства ПФ работают по принципу трансформации электрической энергии, запасенной в конденсаторной батарее, в энергию магнитного поля, сосредоточенную вблизи пинча. Они состоят из генератора импульсных токов, разряжающегося на динамическую индуктивно-резистивную нагрузку в виде камеры плазменного фокуса. Разряд происходит при срабатывании высоковольтного коммутатора, передающего энергию конденсаторной батареи в камеру ПФ. Камера, в свою очередь, состоит из коаксиальной системы электродов, разделенных изолятором.
Основное открытие в направлении изучения плазменного фокуса было сделано в 1954 году в процессе изучения z-пинчей. В отличие от классических z-пинчевых установок в устройстве Филиппова в качестве материала разрядной камеры был использован металл вместо диэлектрика, а для изоляции анода от катода был применен цилиндрический изолятор. обнаружил, что интенсивность жестких излучений (рентгеновского и нейтронного), генерируемых данным устройством, значительно выше, чем в z-пинчевых установках. Затем в 1961 году аналогичные явления наблюдались Дж. Мейзером в коаксиальных плазменных инжекторах [2].
Схемы плазменного фокуса Филиппова приведена на рисунке 1, ПФ Мейзера – на рисунке 2. Основное отличие этих установок заключается в конструкции электродов разрядной системы. Принята следующая классификация типов установок в соответствии с соотношением длины (L) и диаметра (D) центрального электрода – анода: L/D > 1 для установок мейзеровского типа и L/D ? 1 для установок типа Филиппова [3], т. е. электроды установки Мейзера обладают большей длиной, но меньшим диаметром. Основные параметры установок и результаты, получаемые на них, мало отличаются друг от друга, однако физические процессы, играющие основную роль, различаются. Важным свойством данных установок является то, что абсолютный выход нейтронного излучения пропорционален квадрату запасаемой энергии в конденсаторном накопителе. В установках плазменного фокуса мейзеровского типа существенную роль в генерации нейтронов играют быстрые ионы, а в плазменном фокусе филипповского типа они вообще отсутствуют.
Установки ПФ мейзеровского типа наиболее распространены благодаря большей эффективности работы и стабильности нейтронного выхода. Однако на них труднее увеличить ток разряда посредством простого увеличения емкости батареи, поскольку это затягивает время разряда, для чего необходимо увеличивать длину пробега токовой оболочки, соответственно длину электродов и индуктивность всего разряда, что приводит к незначительному росту тока разряда [4]. В то же время для ПФ филипповского типа наращивание емкости батареи не приводит к существенному увеличению индуктивности разрядной камеры из-за ее плоской геометрии. Преимуществом установок плазменного фокуса типа Филиппова является то, что на установках данного типа можно управлять режимом сжатия и формой оболочки, изменяя форму анода и рабочий газ. Основной недостаток плазмофокусных установок филипповской геометрии – низкий нейтронный выход и нестабильность работы.
Рисунок 1– Схема установки ПФ филипповского типа
Рисунок 2 – Схема установки ПФ мейзеровского типа
Третья конфигурация камеры с плазменным фокусом была разработана в Научно-исследовательском институте Экспериментальной физики (г. Саров, Россия) . Сферические камеры с ПФ получили сокращенное название СФК. Схема камеры показаны на рисунке 3.
Сферическая камера с ПФ представляет собой двухэлектродный сильноточный электровакуумный прибор. Корпус данной камеры является катодом. Он состоит из вакуумноплотно соединенных между собой двух частей. Внутри корпуса расположен сферический анод, который соединен с тонким цилиндрическим вводом. Цилиндрический ввод изолирован от корпуса системой изоляторов.
Рисунок 3 – Схема камеры СФК: Сб - конденсаторная батарея; 1 – анод; 2 – катод; 3 – последовательные во времени положения ТПО; 4 – зона максимальной кумуляции плазмы.
Сферическая камера с ПФ имеет более компактную конструкцию по сравнению с камерами разработанными Филипповым и Мейзером так, как электроды данной камеры имею сферическую форму. Шарообразность анода обеспечивает более плавное движение плазменной оболочки с током по его поверхности без резких изменений направления движения. Предложенная система электродов обеспечивает протяженную фазу ускоренного движения плазменной оболочки в коаксиальном зазоре (как у Мейзера) и быстротечную фазу радиального схождения ее к оси камеры (как у Филиппова) [5].
Для адекватной оценки разрядных процессов в плазменном фокусе проанализируем возможности моделирования стадий формирования токовой плазменной оболочки в термоядерном реакторе. Она имеет несколько стадий: стадия разряда газовой оболочки в вакуумной камере, движение токовой плазменной оболочки на срез электродов, образование плазменного фокуса и его вытягивание по оси установки. Эти стадии образования плазменного фокуса представлены на рисунке 4.
Рисунок 4 –Стадии образования плазменного фокуса
В настоящее время установки типа плазменный фокус являются одним из перспективных вариантов разрядных устройств, на основе которых возможно создание мощного импульсного наносекундного источника мягкого рентгеновского излучения.
