01.04.08. - физика плазмы автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва 2005 Работа выполнена в Институте Ядерного Синтеза Российском Научном Центре УКурчатовский институтФ, на кафедре физики и химии плазмы Московского Физикотехнического Института.

Научные руководители: доктор физико-математических наук Калинин Юрий Григорьевич кандидат физико-математических наук Шашков Андрей Юрьевич Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Знаменский Николай Владимирович доктор физико-математических наук Франк Анна Глебовна Ведущая организация: Физический институт имени П.Н.Лебедева РАН Защита состоится 22 декабря 2005 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета К 212.156.03 при Московском физико-техническом институте (141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер. 9, МФТИ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан л _ 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук В.Е. Брагин 2 Общая характеристика работы Введение. Актуальность проблемы. Эксперименты по имплозии легких цилиндрических лайнеров и Z-пинчей магнитным полем протекающего по ним тока мегаамперного уровня в настоящее время привлекают внимание исследователей по нескольким причинам. Во-первых, это использование их в качестве мощного источника рентгеновского излучения как в области мягкого, так и в области жесткого рентгеновского диапазона. Во-вторых, это использование лайнеров и Z-пинчей для решения проблемы инерциального УТС(управляемого термоядерного синтеза).

Наряду с приведенными практическими целями горячая плотная плазма представляет существенный научный интерес, поскольку, несмотря на большое количество работ в этой области, плазма с параметрами, характерными для таких Z-пинчей остается еще недостаточно изученной.

Для уменьшения роли неустойчивости и повышения эффективности преобразования энергии используются различные методы, к примеру, гетерогенные лайнеры, схемы двухкаскадного сжатия, применение внешнего продольного магнитного поля. В любом случае для выяснения эффективности того или иного метода стабилизации необходимо иметь информацию о пространственной форме плазменного объекта и ее эволюции во времени.

Для наблюдения процесса сжатия таких короткоживущих объектов (100 нс) ипользуются кадровые ЭОПы и хронографические развертки собственного свечения плазмы в видимом и рентгеновском диапазонах, однако, эти диагностики не дают ответа на вопрос о том, плазме с какой плотностью соответствуют получаемые изображения. Диагностическим методом, который может дать ответ на этот вопрос и позволяет судить о эволюции формы плазменного образования, является многокадровая лазерная теневая и шлирен-съемка плазмы.

Цель и задачи исследования. Главной целью проведённой работы было создание многокадровой лазерной диагностической системы и изучение динамики плазмы нагрузок различных конфигураций (лайнеров, Z-пинчей) на сильноточном ускорителе С300(максимальный ток I=3-3,5МА, время нарастания =100нс, импеданс 0,15Ом). Основные эксперименты:

Исследование имплозии многопроволочных лайнеров из вольфрама, алюминия и их комбинаций. Цель эксперимента: фундаментальные исследования механизмов образования и нагрева плазмы сильноточного Z-пинча, исследование устойчивости сжатия при магнитной имплозии сборок, состоящих из проволочек различного химического состава.

Исследование протекания импульсного тока с большой линейной плотностью по модели линии с магнитной изоляцией. Целью этих экспериментов являлись исследования динамики приэлектродной плазмы и её влияния на транспортировку энергии.

Изучение динамики развития перетяжки в плотных гетерогенных профилированных Z-пинчах.

Научная новизна.

Создан пятикадровый лазерный диагностический комплекс с длительностью излучения в импульсе ~ 0,3нс, на основе ВРМБ(вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна) компрессии импульса YAG:Nd лазера в четыреххлористом углероде.

Обнаружено усреднение периода пространственной модуляции, в процессе сжатия лайнеров из проволочек различного состава, в начальной стадии имеющих различный период модуляции.

Обнаружен эффект образования прозрачных для зондирующего излучения областей плазмы лайнеров, объясняемый филаментацией тока.

Практическое значение работы. Основной сферой практического применения полученных результатов является область исследований имплодирующей плазмы для инерциального УТС.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на международных конференциях: VII Международная научно-техническая конференция ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТОКОВ (ОМИП-2003), Москва 24-27 июня 2003г.; 30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics,St.Petersburg, Russia,7-11July2003; 15th INTERNATIONAL CONFERENCE on HIGH-POWER PARTICLE BEAMS; Int. Conf. and School on Plasma Physics and Controlled Fusion, Alushta, Ukraine, 16-21,09, 2002; Int. Symp. on Laser-Aided Plasma Diagnostics, Les Houches, France, 28.09-02.10, 2003; XI Conference on Laser Optics, St.Petersburg, Russia, 30June-4July 2003.; XV International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Laser Conference. Prague, Czech Republic, 30August-3September, 2004.

Публикации. За время работы над диссертацией опубликованы 6 статей в реферированных журналах.

Объём и структура диссертации. Работа изложена на 92-х страницах, иллюстрирована 35-ю рисунками. Диссертация состоит из Введения и 7-и глав, включая литературный обзор. Список цитированной литературы содержит 80 наименований.

Содержание работы.

Первая глава Содержит обзор литературы, посвящённый нескольким темам:

- Использование лайнеров как обострителей мощности для инерциального УТС.

- Генерация мощных импульсов рентгеновского излучения с помощью лайнеров.

- Лазерная диагностика плазмы.

Основная физическая концепция, лежащая в основе большинства схем инерциального термоядерного синтеза основывается на использовании энергии драйвера, сконцентрированной на поверхности термоядерной мишени для абляции ее поверхности, что приводит к сжатию мишени до высокой плотности. Чтобы достичь условий саморазогрева DT смеси возникающими -частицами нужно вложить в мишень 100-200 кДж за 3-5 нс.

Энергия, выделенная в результате термоядерной реакции, может сравниться или превысить энергию, вложенную в мишень, если последняя составляет 0,5-1 МДж и подводится к мишени за 5-10 нс. Однако коэффициент преобразования энергии, вкладываемой управляющим потоком в кинетическую энергию сжимающейся оболочки в процессе абляции не превышает 10%. Чтобы достигнуть условий саморазогрева надо решить не только задачу пространственной концентрации энергии на мишень, но и сокращения длительности нагрева мишени с 50-100 нс до 5-10 нс без существенной потери энергии Ч обострить мощность. В первой части обзора описаны трудности использования электронных и ионных пучков как обострителей мощности, значительно более эффективным представляется драйвер на основе сжимающихся цилиндрических лайнеров, ускоряющихся электродинамическим способом.

По сравнению с системами инициирования термоядерного микровзрыва на основе пучков заряженных частиц, система, основанная на сжатии лайнеров, является более экономичной.

Применение лайнеров в качестве обострителей мощности дает возможность сократить длительность импульса энергии на порядок величины и поднять мощность в 2-3 раза, при этом коэффициент преобразования электрической энергии от формирующей линии генератора в кинетическую энергию лайнера, согласованного с электрической цепью, может достигать 70%. Далее дан обзор применения лайнеров для генерации мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения ( h > 1кэв). В этой схеме электрическая энергия установки при схлопывании лайнера переходит в тепловую. При этом на оси образуется плотный (ni=1019-1021 см-3), горячий плазменный столб (Те = 0,2-2 кэВ), который излучает значительную часть энергии в виде импульса мягкого рентгеновского излучения. В настоящее время эта схема исследуется наиболее интенсивно в связи с перспективой создания мощного компактного источника мягкого рентгеновского излучения.

Вторая глава Содержит описание сильноточного генератора С300.

Сильноточный генератор С-300 (3,5МА, 0,15 Ом, 100 нс), предназначен для работы на низкоомную индуктивную нагрузку, в частности, на многопроволочный лайнер, сжимающийся под действием магнитного поля тока, протекающего по лайнеру. Он создан по многомодульной схеме (восемь модулей). Каждый модуль состоит из генератора импульсного напряжения (ГИН), водяной накопительной емкости - промежуточного накопителя (ПН) как первой ступени обострения импульса, водяной формирующей линии и двух водяных транспортирующих линий. Энергия с 16 транспортирующих линий через цилиндрический диэлектрик (ускорительную трубку), разделяющий водяной и вакуумный объемы поступает в общую вакуумную камеру, внутри которой находится концентратор энергии на линиях с магнитной самоизоляцией.

ГИН, собранный по схеме Аркадьевой - Маркса находится в объеме трансформаторного масла, имеет 20 ступеней и коммутируется трехэлектродными газовыми разрядниками с лискажением поля. ПН служат для быстрой зарядки вертикально расположенных формирующих линий; их время зарядки - 130-150 нс. Коммутация ПН производится четырехкаскадными газовыми разрядниками, одновременное срабатывание которых обеспечивает синхронную работу всех восьми модулей. Поджигающий импульс формируется специальным восьмиканальным генератором.

Третья глава Глава посвящена пространственно временному разрешению лазерных диагностик в импульсных экспериментах и методам их улучшения.

Пространственное разрешение регистрирующих систем в импульсных плазменных экспериментах. Пространственное разрешение лазерных диагностик определяется несколькими факторами. Во-первых, это расходимость пучка при этом : N1=(L)-1/2, где - длина волны зондирующего излучения, L - размер неоднородности вдоль пучка. Вовторых, на разрешение влияет длительность импульса зондирующего излучения и скорости движения элементов объекта v, в этом случае N2=l/(v). Наконец, может дать свой вклад разрешающая способность приемника излучения N3, для фотопластинок эта величина существенно больше чем N1, N2 и составляет порядка 150 штр/мм.

Для экспериментов с проволочными лайнерами и z-пинчами (v ~ 5 Х 107 см/с) при длительности импульса лазера с ~ 10 нс, = 532 нм (вторая гармоника YAG:Nd3+ лазера) расчет дает для N1 ~ 50 штр/мм и для N2 ~ 1 штр/мм (данные для импульсной установки С-300 и лазерного диагностирующего комплекса, описанных ниже). Такое низкое разрешение N1 реализуется практически только в направлении перпендикулярном оси межэлектродного зазора, т.к. в этом направлении схлопывается лайнер. Отсюда видно, что узким местом является генератор зондирующего излучения и для увеличения пространственного разрешения необходимо уменьшать длительность зондирующего импульса.

Генерация ВРМБ сжатого импульса. Основными методами укорочения гигантского лазерного импульса являются: вырезание из длинного импульса короткого, компрессия с помощью эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), метод синхронизации мод и вынужденного излучения Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ-компрессия).

С помощью модулирования добротности довольно несложно получить импульс лазера длительностью порядка 10нс (минимальная длительность импульса при этом пропорциональна длине резонатора, следовательно, необходимо добиваться укорочения резонатора), более короткие времена требуют довольно больших инженерных затрат. В схемах с вырезанием из гигантского импульса пичка с помощью комбинации электрооптического затвора и открывающего его импульсного генератора, запускающегося от разрядника, срабатывающего от самого импульса лазерного излучения, теряется часть энергии и нет обострения мощности. С помощью ВКР можно получать импульсы длительностью 0.01нс, однако при этом зондирующее излучение сильно уходит по частоте от основного, что делает невозможным его дальнейшее усиление в диагностическом тракте.

По-видимому, наиболее рациональным способом укорочения импульса для лазерных диагностик является ВРМБ-компрессия, для которой сдвиг стоксового излучения от основной частоты весьма мал и значительно меньше ширины спектра излучения задающего генератора, что облегчает его дальнейшее усиление и преобразование к необходимой зондирующей частоте.

Эффективное сжатие наносекундных импульсов сфокусированных пучков при ВРМБ возможно при выполнении условия н <2Ln/c, где L - расстояние от входного окна кюветы с ВРМБ средой до фокальной плоскости линзы, n -показатель преломления ВРМБ среды, н - длительность импульса накачки. Минимальная длительность стоксового импульса при оптимальной энергии лазерного импульса гауссовского пучка можно оценить по формуле smin= 2 zf/v, где zf = nf2/a2 - половина длины фокальной перетяжки, а - радиус пучка на уровне е-2 на линзе. Максимальный коэффициент сжатия достигает 25.

Для проверки ВРМБ компрессии в качестве генератора импульса накачки использовался одномодовый ТЕМ00 YAG:Nd3+ лазер с фототропным затвором (Ф.З.) YAG:Cr. Длина резонатора L=13CM, длительность излучения ~7нс, энергия в импульсе 8~1мДж. При применении Ф.З. генерация идет в режиме одной продольной моды, что необходимо для ВРМБ эффекта. Для электро-оптического затвора дела обстоят существенно хуже. Это связано с тем, что последний открывается значительно быстрее и поэтому могут возбуждаться несколько продольных мод, что может стать препятствием для компрессии. Однако в дальнейшем для задающего генератора применялся электрооптический затвор, так как Ф.З. невозможно синхронизовать с диагностируемым процессом.

Модовая структура излучения задающего генератора для обоих случаев наблюдалась с помощью интерферометра Фабри-Перо. Интерференционная картина регистрировалась на длине волны второй гармоники =532нм. Удвоение частоты проводилось в кристалле LiNbO3. Т.к. полоса генерации лазера меньше частотной ширины синхронизма удвоителя, весь набор продольных мод преобразуется в их вторые гармоники. Схема реализованного для диагностики ВРМБ-компрессора изображена на Рисунке 1. Задающий генератор(З.Г.) 1 имеет следующие параметры выходного излучения:

Рисунок 1. Блок-схема ВРМБ-компрессора лазерного импульса.

энергия в импульсе E ~ 25-30 мДж, длительность импульса ~3нс, диаметр выходного пучка d~5мм, расходимость <2мрд, длина волны излучения =1064нм. Конструктивно З.Г.