Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
Российская академия наукФизический институт им. П.Н. Лебедева
На правах рукописи
Никулин Валерий Яковлевич СИЛЬНОТОЧНЫЙ РАЗРЯД ТИПА ПЛАЗМЕННЫЙ ФОКУС.
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ПРИМЕНЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЯХ Специальность 01.04.08. Цфизика плазмы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Автор:
Москва - 2007
Работа выполнена в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Лебедев Андрей Николаевич доктор физико-математических наук Королев Валерий Дмитриевич доктор физико-математических наук Савелов Александр Сергеевич
Ведущая организация: ФГУП ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ)
Защита состоится 22 октября 2007 г. в 12 часов на заседании специализированного ученого совета Д002.023.02 Физического института имени П.Н. Лебедева РАН по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект 53.
С диссертацией в можно ознакомиться в библиотеке ФИАН Автореферат диссертации разослан ____ ________ 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук _________ Я.Н.Истомин ВВЕДЕНИЕ. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.
Диссертация посвящена исследованию физических процессов в импульсной плазме, создаваемой мегаамперным током в установках типа плазменный фокус и ее применениям в технологиях, а также разработке методов диагностики плазмы.
В настоящее время исследования физики плазмы применительно к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза ведутся на установках различного типа во многих научных центрах мира. Для успешного решения данной проблемы необходимо проведение ряда исследований, в том числе:
- по устойчивости плазмы в магнитных ловушках;
- по разработке методов генерации и нагрева плазмы;
- по изучению механизмов ускорения частиц;
- по изучению самоорганизующихся токово-плазменных структур и их влияния на параметры плазмы и выход жестких излучений;
- по созданию мощных источников рентгеновского и нейтронного излучений;
- по созданию генераторов мощных высокоскоростных плазменных потоков;
- по взаимодействию высокотемпературной плазмы с конструкционными материалами термоядерных реакторов и их радиационной стойкости;
- по созданию новых материалов, способных функционировать в экстремальных условиях, таких как высокие температура и давление, интенсивные потоки радиации, в том числе нейтронное и рентгеновское излучения.
Решение многих из этих задач может быть осуществлено в исследованиях, проводимых на импульсных плазменных установках, таких как сильноточные z-пинчи.
Особо следует отметить исследования по созданию мощных импульсных источников нейтронного и рентгеновского излучений, корпускулярных и плазменных потоков на основе быстрых электроразрядных устройств. Необходимость создания таких источников обусловлена потребностями техники (интроскопия, разведка полезных ископаемых, материаловедение, создание экологически чистых источников ядерных излучений), обороны (моделирование в лабораторных условиях ядерного взрыва), энергетики (термоядерный синтез, испытание материалов, предназначаемых для использования в термоядерных устройствах), медицины (нейтронно-захватная терапия, лучевая терапия в онкологии, диагностика) и др.
Среди электроразрядных устройств, на основе которых разрабатываются импульсные источники излучений, можно отметить установки Ангара-5, С-300 (ИЯС РНЦ Курчатовский институт), PBFA-II (или Z) (USA). Основным отличием этих установок является короткий импульс тока - порядка 100 нс, высокое напряжение - 106 В, максимальный ток - несколько МА, высокий выход мягкого рентгеновского и нейтронного излучений (1012 н/имп). В тоже время следует отметить, что все это достигается за счет исключительной сложности установки и, соответственно, огромной ее стоимости.
Другим подходом при создании импульсных источников излучений является метод, основанный на генерации плазмы в установках типа плазменный фокус (ПФ). Данное направление исследований получило свое развитие благодаря работам Н.В. Филиппова и Т.И. Филипповой по генерации импульсной высокотемпературной плазмы в быстрых Z- пинчевых устройствах [1] На этих установках были получены рекордные выходы нейтронного и рентгеновского излучений. Несколько позже при создании плазменных инжекторов Дж. Мейзер (США) пришел к аналогичным результатам [2].
Несмотря на длительную историю исследований плазменного фокуса, остается целый ряд не до конца изученных плазменно-динамических процессов, существенно влияющих на эмиссионные свойства разрабатываемых источников излучений. Это, прежде всего, механизмы генерации жестких излучений и пучков ускоренных частиц, механизмы генерации нейтронного излучения и причины его насыщения на мегаджоульных установках, механизмы образования в плазмофокусном разряде так называемых горячих точек и самоорганизующихся токовоплазменных структур и их влияние на характеристики жестких излучений ПФ; свойства плазмы в зоне высокоскоростного динамического контакта плазма - электрод, дефицит ионов в зоне контакта и его влияние на динамику плазмы и величину тока, и ряд других явлений.
ИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА И ОСНОВНАЯ ЦЕЛЬ РАБОТЫ В исследованиях, вошедших в диссертацию, автору принадлежит постановка задач, разработка и создание моделей физических процессов, формулировок целей и задач экспериментов, анализ и интерпретация их результатов.
Основной целью цикла работ, выполненных автором, была реализация комплексного подхода к исследованию физических процессов, протекающих в сильноточном разряде типа плазменный фокус. С этой целью автором диссертации были разработаны такие диагностики как сверхскоростное лазерное многокадровое зондирование плазмы (интерферометрия и теневое фотографирование), диагностика излучения плазмы в оптическом и рентгеновском диапазонах с временным и пространственным разрешениями.
С целью увеличения выхода жестких излучений для реализации метода комбинированного лазерно-пучкового нагрева плазмы при непосредственном прямом и решающем участии автора создана установка "Флора"[3,4], состоящая из мощного 16-канального лазера на неодимовом стекле и плазменного фокуса с энергетикой 40 кДж. В дальнейшем, после проведения модернизации установки за счет увеличения энергетики плазменного фокуса до 400 кДж и дополнения ее установкой ПФ-4 (с энергоемкостью 15 кДж), был создан плазменный комплекс "ТЮЛЬПАН"[5]. В настоящее время этот комплекс имеет статус уникальной установки и имеет финансовую поддержку Минобрнауки.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
- результаты исследования динамики плазмы и измерения ее параметров в основных режимах работы установок типа плазменный фокус с различной модификацией электродов и энергетикой;
- результаты исследований самоорганизующихся токово-плазменных структур в пинче и их влияние на характеристики жестких излучений ПФ;
- результаты исследования физических явлений, возникающих при воздействии на плазму ПФ мощного импульса лазерного излучения;
- результаты исследований по разработке методов создания новых технологий материалов и модификации их свойств на основе импульсного воздействия мощных плазменных потоков, генерируемых в установках типа плазменный фокус;
- результаты исследований по разработке методов повышения эффективности трансформации запасенной в конденсаторах энергии в ток разряда мощного (100 кДж-1МДж) плазменного фокуса;
- результаты изучения масштабной закономерности (скэйлинга) нейтронного выхода от энергии в конденсаторном накопителе и тока на установках ПФ различных модификаций и энергоемкости.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА, ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.
На сегодняшний день созданный при участии автора диссертации уникальный плазменный комплекс "Тюльпан", состоящий из установок типа плазменный фокус и мощного лазера, не имеет аналогов в мире.
Современный уровень поддерживается за счет непрерывного наращивания мощности плазменного фокуса и создания новых установок, которые работают в широком диапазоне энергий, а также расширения диагностического комплекса и применения современной цифровой системы регистрации и обработки экспериментальных данных. Наличие в составе комплекса плазменных установок с энергетикой от 4 кДж до 0,4 МДж, обеспечивает получение тока в плазме от 300 кА до 3 МА с плотностью выше 107А/см2, что позволяет изучать возникающие при таких экстремальных условиях фундаментальные свойства плазмы, масштабные закономерности физических явлений и выхода жестких излучений, мощности корпускулярных и плазменных потоков и их воздействие на различные вещества и материалы.
Отличительной особенностью комплекса являются:
- возможность одновременного применения мощного импульса тока величиной несколько мегаампер и лазерного излучения для создания и нагрева плазмы;
- наличие многофункционального диагностического комплекса, позволяющего проводить исследования плазмы с использованием 9 методик;
- возможность применения плазменного комплекса Тюльпан для технологических и материаловедческих целей.
Научная новизна результатов исследований основывается:
- на комплексном исследовании плазмы в установках ПФ, основанных на одновременном использовании нескольких взаимодополняющих диагностик;
- на проведении исследований на установках с энергетикой в диапазоне от 4 кДж до 2,8 МДж в разных лабораториях, как в России, так и за рубежом.
В результате выполненных исследований:
- разработаны следующие диагностические методы исследования плазмы: метод высокоскоростного многокадрового интерферометрического и теневого зондирования, методы изучения мягкого рентгеновского излучения с временным и пространственным разрешением, методы изучения нейтронного излучения, зондовые методы измерения магнитного поля и тока, методы изучения динамики плазмы и кумулятивных потоков с использование электронно-оптических преобразователей и др.
- разработаны диагностические лазеры, позволяющие проводить исследование плазмы с временным разрешением в пико- и наносекундном диапазоне;
- получены новые данные о динамике и устойчивости плазмы, создаваемой в установках типа плазменный фокус;
- получены новые данные о распределении плотности, температуре, о скорости радиального сжатия плазмы при разных давлениях рабочего газа и различного газового состава;
- получены новые данные о механизмах генерации жестких излучений и измерена эффективность преобразования электрической энергии в излучения;
- получены новые данные о свойствах кумулятивных плазменных потоков, генерируемых в ПФ;
- изучены свойства токово-плазменной оболочки и ее динамики в экспериментах по сжатию лайнеров в мощных плазмофокусных разрядах;
- показано, что насыщение нейтронного выхода мегаджоульных установок типа плазменный фокус обусловлено ограничением роста (насыщением) полного тока разряда при увеличении энергетики установки только за счет увеличения емкости конденсаторного накопителя;
- показано, что для установок типа плазменный фокус существуют два взаимодополняющих способа повышения тока разряда:
увеличение напряжения и уменьшение относительного межэлектродного промежутка. Предложены способы преодоления насыщения нейтронного выхода на установках мегаджоульного уровня;
- показано, что установки типа плазменный фокус могут быть использованы как источники мягкого рентгеновского излучения для рентгенолитографии, микроскопии изучения структуры материалов методами малоуглового рассеяния, а также для изучения физики воздействия мощных плазменных потоков на материалы, их модификации и создания новых материалов.
В результате исследований по воздействию мощных высокоскоростных потоков плазмы на материалы показана возможность:
- поверхностного и объемного упрочнения сплавов металлов под воздействием ударных волн за счет деформации и внедрения дейтерия в структуру сплава;
- создания на поверхности материала покрытий из элементов, практически в нем не растворимых, например, медь на поверхности вольфрама или сапфира.
Полученные в диссертации результаты имеют большое значение для понимания физических процессов, происходящих в сильноточном разряде типа плазменный фокус.
Результаты могут быть использованы:
- при разработке и создании мощных источников жестких излучений, а также в исследованиях, ведущихся по программе УТС с магнитным и инерциальным удержанием плазмы;
- при создании теоретических моделей процессов в сильноточных разрядах типа Z-пинч;
- при создании новых технологий материалов.
Результаты диссертации могут найти применение в научноисследовательских работах, проводимых в РНЦ Курчатовский институт на установках С-300 и ПФ-3, в ТРИНИТИ на установке Ангара-5, в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ), в Институте ядерных исследований РАН, в Институте металлургии и материаловедения им. А.А.
Байкова и других научных центрах и предприятиях, ведущих исследования в области физики плазмы и УТС, а также материаловедения.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Результаты выполненных работ докладывались на международных и российских конференциях, публиковались в научных журналах и трудах конференций. В частности, материалы диссертации докладовались на 19, 20, 21, 22 Международных симпозиумах по физике плазмы и технологиям (1996, 2000, 2002, 2004, 2006) в Праге, на Международных конференциях Plasma1999, Plasma-2001, Plasma-2003, Plasma-2005 в Варшаве, на Международных конференциях по физике плазмы и УТС в Алуште (2002, 2004, 2006), на Европейской конфенции по физике плазмы Европейского физического общества (EPS) (1998, 2004) в Лондоне, на международной конференции On the Frontiers of Plasma Physics and Technology в Индии, (2002), на 11-м Международном конгрессе по физике плазмы в Австралии (2002), на Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС и др.
По теме диссертации опубликовано 72 работы в отечественных и зарубежных журналах: Физика плазмы, Квантовая электроника, Краткие сообщения по физике, Physica Scrypta, Nukleonika, SPIE, Перспективные материалы, Прикладная физика, Письма ЖЭТФ, Czechoslovak Journal of Physics, Journal of Technical Physics, Journal of "Problems of Atomic Science and Technology" Series "Plasma Physics", Нанотехника, Труды ФИАН, кн.
Энциклопедия низкотемпературной плазмы, Вводный том II, под ред. В.Е.
Фортова, и др.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из Введения, 6 глав и Заключения, содержит 6 таблиц, 81 рисунок библиографию из 162 наименований. Объем диссертации 230 стр.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
.
ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи проведенных исследований, определены научная новизна и практическая значимость работы, приведены защищаемые положения.
В ГЛАВЕ 1 содержится обзор литературы и состояние исследований плазменного фокуса.
В разделе 1.1 дается история развития исследований плазмы, получаемой в установках типа плазменный фокус, описываются установки двух основных модификаций - филипповской и мейзеровской.
Показывается, что достоинством установок ПФ является высокий выход нейтронного излучения и его квадратичная зависимость от энергетики установки. Вместе с тем указывается что, на установках мегаджоульного уровня имеет место насыщение нейтронного выхода. Насыщение нейтронного выхода стимулировало исследования по выяснению физических процессов, ограничивающих увеличение нейтронного выхода и поиск новых методов использования сильноточного разряда типа плазменный фокус для создания источников рентгеновского и нейтронного излучений: с использованием лазерного воздействия на плазменный фокус и с использованием ПФ в качестве токового - плазменного драйвера для сжатия лайнерных мишеней.
В разделе 1.2 дается общая картина физических процессов в ПФ.
Указывается, что большой вклад в понимание физики плазмы в ПФ внесли его создатели - Н.В. Филиппов и Т.И. Филиппова. Проведенные ими исследования с использованием интегральных рентгеновских камер-обскур, нейтронных активационных детекторов, регистраторов жесткого рентгеновского излучения на основе ФЭУ, совмещенных со сцинтилляторами, поясов Роговского, дали общее представление о динамике плазмы, ее плотности и локализации, температуре, о свойствах нейтронного и жесткого рентгеновского излучений. [6, 7]. Исходя из совокупности исследований ПФ, выполненных к настоящему времени, физические процессы в ПФ-разряде можно разделить условно на 4 основные фазы, которые обычно используют при описании работы установок типа ПФ, начиная с момента подачи импульса высокого напряжения: 1 - пробой газоразрядного промежутка вдоль поверхности изолятора и формирование токово-плазменной оболочки (ТПО), 2 - движение ТПО в межэлектродном пространстве и ее выход на торец электродов, 3 - радиальное сжатие ТПО на оси установки, кумуляция ТПО с образованием пинча (первое сжатие) и развитем МГД неусточивостей перетяжечного типа (m=0), приводящих ко второму сжатию пинча, 4 - турбулентная фаза - стадия распада пинча, сопровождаемая вспышкой жесткого рентгеновского и нейтронного излучений.
В разделе 1.3 описываются основные свойства плазмы в ПФ и механизмы генерации жестких излучений - нейтронного и рентгеновского.
В разделе 1.3.1 сделан краткий обзор теоретических описаний процессов в ПФ. Дается описание моделей, используемых на различных стадиях ПФ разряда, в том числе - модель скин-эффекта для описания процессов в начальной стадии разряда, модели snow-plough и трехжидкостная МГД модель для описания движения ТПО. Стадия плотного пинча и его развала изучается в рамках неидеальной МГД модели с учетом процессов ионизации в нейтральном газе [8]. Приводятся МГД уравнения и уравнения для тока в разрядном контуре. Указывается, что результаты МГД расчетов достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными. Вместе с тем имеются и существенные различия. Так, из расчетов не следует наличие различных режимов динамики ТПО (пинчевый, рентгеновский) и разнообразие ее МГД неустойчивостей, существенно влияющих на эмиссионные свойства плазмы ПФ. До сих пор не достаточно развито теоретическое описание процессов, происходящих во время турбулентной стадии.
В разделах 1.3.2-1.3.5 приводятся данные по измерению тока, динамике плазмы, ее плотности и температуре. Измерения тока, как правило, выполняемые с помощью поясов Роговского, дают информацию о полном токе, идущем через разрядную камеру, в то время как в измерениях тока идущего непосредственно через пинч, имеется много неопределенностей.
Много сложностей вызывает измерение температуры плазмы. Из анализа литературы следует, что в разных экспериментах температура сильно отличается и лежит в диапазоне от 300 эВ до 9 кэВ. Трудности с измерением температуры связаны с ее быстрым изменением во времени, из-за наличия ускоренных ионов, а также с ее неоднородным распределением по объему пинча (горячие точки). Приводятся данные по механизмам генерации жесткого рентгеновского и нейтронного излучений. Отмечается, что до сих не существует модели, в рамках которой можно было бы объяснить характеристики эмиссии быстрых частиц, в особенности в диапазоне энергий нескольких МэВ. Приводятся масштабные закономерности (скэйлинги) абсолютного выхода нейтронного излучения от энергетики установки (~ E2) и тока (I4). Указываются, что скэйлинг по энергии выполняется на установках с энергетикой не более 500 кДж. На мегаджоульных установках наблюдается эффект насыщения нейтронного выхода. Следует отметить, что нейтронные измерения с мегаджоульной энергоемкостью производились только на мэйзеровских установках.
Приводятся данные по различным установкам.
В ГЛАВЕ 2 дается описание плазмофокусных установок, на которых проводились исследования, вошедшие в материал диссертации.
Исследования проводились на установках филипповской (Рисунок 1) и мейзеровской модификаций (Рисунок 2) с энергозапасом от 4 кДж до 2,МДж. Для филипповской геометрии отношение диаметра центрального электрода (анода) к его длине D/L > 1. В мейзеровской геометрии: D/L < 1.
Рисунок 1 - Схема установки ПФ филипповского типа 1, 2, 3, 4, 5 - последовательные стадии динамики ТПО.
Рисунок 2 - Схема установки ПФ мейзеровского типа.
Ниже приводятся основные параметры данных установок (Таблица 1).
Таблица 1. Основные параметры ПФ установок.
PF-1000 Frasсati 1MJ ПФ-3 Тюльпан Пламя Польша 1979-82 гг. ИЯС ФИАН ФИАН - 2004 г. РНЦ ОКБ ПФ- ПФ-Параметры Курчато- Горизон 4вский т институт Макс. энергия батареи 1000 1000 384 70.5-2800 [кДж] Рабочая энергия 4 2Емкость батареи [мкФ] 1332 1300 9200 480 20 5Рабочее напряжение кВ] 33 20-30 10-15 40-50 10-20 30-Ток короткого замыкания 12 - 18 0.[МА] Максимальный ток Imax 1.8 2.7 4 0,4 2,5 (1,8*) [МА] Ток в момент пинчевания 1,2 2,2 3 1,0.4 1,2* Ip [МА] Время до пинчевания 8 5,5- 15-16 1,7 разряда [мкс] 8,Постоянная 15 16-20 15 индуктивность [нГн] Индуктивность камеры 60 - 45 8 50 [нГн] Диаметр катода Dc [cм] 20 45 24 58 5 27-Диаметр анода Da [см] 11.3 37 16 50 40 3 Длина анода [см] 56 35 56 26 15 10 Ч 3-(51*) Диаметр изолятора [см] 12.8 - 18 50 40 1,Длина изолятора [см] 11.3 5-10-15-20 26 15 1 Нейтронный выход [ед] 1012 - 1010 ** 61011 6102108 ~1011* М - Тип электродов М Ф-М М Ф Ф Полу- М сферич.
* при работе на энергии 240 кДж; ** при работе на энергии -70 кДж В ГЛАВЕ 3 описываются разработанные и примененные автором диссертации методики исследования плазмы, получаемой в установках типа плазменный фокус.
Спецификой плазмофокусного разряда являются:
- высокая скорость ТПО и кумулятивного потока (порядка 107 - 108 см/с);
- плотность плазмы от 1017 до 1021 см-3;
- большие амплитуды тока (более 106А) и его плотности (более 1А/см2);
- высокая интенсивность нейтронного излучения;
- высокая скорость изменения тока в момент так называемого его обрыва 1014А/с;
- значительные изменения в свойствах в течение разряда: от малоплотной и низкотемпературной (n 1016 см-3, T 10 эВ) в начале разряда до высокотемпературной и достаточно плотной в момент кумуляции ТПО (n 1019 см-3, T 1000 эВ);
- высокая интенсивность излучений в широком диапазоне длин волн от микроволнового до жесткого рентгеновского излучения.
При исследовании плазмы с такими свойствами возникает также ряд технических сложностей из-за наличия сильных электромагнитных наводок, обусловленных резкими изменениями тока. С учетом перечисленных факторов был разработан диагностический комплекс, обладающий следующими характеристиками:
- высокая степень помехозащищенности системы синхронизации диагностики с моментом исследуемого процесса, устойчиво функционирующая в условиях сильных электромагнитных наводок, обусловленных лобрывом мегаамперного тока ПФ разряда;
- высокое (наносекундное и пикосекундное) временное разрешение, необходимое при исследовании таких процессов как кумуляция ТПО, образование неустойчивостей (МГД и кинетических), генерации жестких излучений;
- высокое пространственное разрешение порядка одного микрона при исследовании структуры ТПО и пинча;
- одновременное использование нескольких диагностик в течение одного разряда установки в связи с низкой воспроизводимостью процессов, протекающих во время турбулентной фазы;
- регистрация электрических импульсов и изображений с использованием цифровой техники.
В разделах 3.1 - 3.3 описаны методы исследования плазмы с помощью лазера: теневых, шлирен- и интерферометрических диагностических методов. Дается краткое описание физических явлений, на которых основываются лазерные методы диагностики плазмы. Показывается, что для условий, характерных для ПФ, плазма представляет собой фазовый объект, так как поглощение зондирующего излучения незначительно. При этом для показателя преломления плазмы можно пользоваться формулой:
1 2e N pl -14 e n 1- = 1- = 1- 4,4810 N, (1) e 2 2 m где: pl - плазменная частота, Ne - электронная плотность плазмы, , - частота и длина волны зондирующего излучения.
Указывается, что в случае зондирования плазмы, содержащей многозарядные ионы, необходимо учитывать вклад в показатель преломления ионной составляющей:
Ni fik n -1 = -4,4810-14 2Ne + 2e2 = A2 + B, (2) i mi k ik где:ik, fik - частоты и силы осцилляторов, соответствующие переходам с i на k уровень.
Расчет сил осцилляторов fik может быть сделан методами квантовой механики [9]. В большинстве случаев при определении показателя преломления плазмы достаточно учитывать не более двух - трех переходов, имеющих наибольшее значение сил осцилляторов. Кроме того, величина ионной компоненты в показателе преломления, как показывают расчеты в большинстве случаев, оказывается значительно меньше величины электронной компоненты.
Однако возможны ситуации, когда пренебрегать ионной компонентой недопустимо. Так, например, при аномально высокой степени возбуждения ионов (инверсная заселенность уровней), а также в случае, когда длина волны зондирующего излучения находится вблизи линии одного из переходов ионов плазмы, вклад ионной компоненты в показатель преломления может даже превышать значения показателя преломления на электронной компоненте [10]. Поэтому, интерферометрическим исследованиям должен предшествовать спектральный анализ. В ряде случаев исключить вклад ионной составляющей в показатель преломления (и тем самым повысить точность измерения плотности плазмы) можно при использовании интерферометрии в двух длинах волн Методы математической обработки интерферограмм и тенеграмм рассмотрены в разделе 3.3.
В разделе 3.4 рассмотрен метод диагностики плазмы в видимом и рентгеновском диапазонах длин волн с использованием электроннооптического преобразователя на основе МКП. Электронно-оптические диагностики, как и лазерные, позволяют изучать пространственную картину движения токовой оболочки в Z-пинчевых разрядах. Лазерные методы, обладая рядом преимуществ (возможностью измерения плотности плазмы, магнитных полей и т.д.), довольно сложны и дороги. Методы с использованием ЭОП - просты и надежны, а применение в них для регистрации изображения цифровых фотоаппаратов позволяет оперативно менять тактику проведения эксперимента.
В разделе 3.5 описана нейтронная диагностика. Для регистрации короткого по длительности (100 нс) нейтронного выхода из импульсных источников типа плазменный фокус была разработана специальная система детектирования [11,12], позволяющая проводить измерения абсолютного нейтронного выхода на установках ПФ различной мощности. При разработке данной системы учитывались специфические для ПФ экспериментов условия - наличие мощных потоков электромагнитного излучения плазмы и интенсивных электрических и магнитных помех. В качестве нейтронных детекторов применялись галогенные гейгеровские счетчики двух типов СТСЦ 5 и СТСЦ6, размещаемые внутри контейнера-замедлителя нейтронов.
Диагностика рентгеновского излучения (Раздел 3.6) проводилась в области 1-20 с помощью камеры - обскуры, совмещенной с детектором на основе микроканального усилителя, состоящего из МКП пластины, имеющей четыре независимых сектора. Для получения линейчатого спектра многозарядных ионов использовался рентгеновский спектрограф с выпуклым кристаллом слюды. Спектрограф соединен с 4-х канальным усилителем света на основе МКП. Временное разрешение 3 нс, задержка между каналами 3-нс.
Регистрация импульсов рентгеновского излучения в диапазоне от 100 эВ до 40 кэВ осуществлялась с использованием фотоэлектронных умножителей типа ЭЛУ и полупроводников датчиков типа СППД11-04. Сигналы с датчиков заводились на осциллографы 6ЛОР-04 и TDS-220. При использовании ФЭУ рентгеновское излучение преобразовалось с помощью сцинтилляторов типа POPOP в зеленый свет. Данная методика обеспечивала нс временное разрешение. Для спектрального анализа рентгеновского излучения применялись фильтры из различных материалов - бериллия, алюминия, меди, свинца и др.
Измерение тока и его распределения в плазме в работе (Раздел 3.7) осуществлялось с использованием пояса Роговского и магнитных зондов, устанавливаемых в разрядной камере ПФ. Сигнал с пояса Роговского подавался на осциллограф TDS-220. Калибровка измерительной системы осуществлялась при разряде на цилиндрический шунт, устанавливаемый в центре камеры ПФ.
Для изучения пространственного распределения тока в разрядной камере проводились измерения магнитного поля с помощью миниатюрных магнитных зондов, устанавливаемых в разных местах разрядной камеры ПФ.
В ГЛАВЕ 4 приведены данные по исследованию динамики плазмы и ее излучательных характеристик в установке типа плазменный фокус на протяжении всего разряда, начиная с момента подачи напряжения на анод установки. Исследования проводились с помощью лазерного зондирования, с помощью электронно-оптических и зондовых методик.
Выбор методики исследования определялся свойствами плазмы на разных стадиях плазмофокусного разряда. Так, на начальной стадии, т.е.
сразу после подачи напряжения на анод установки, когда плазма является низкотемпературной и малоплотной, предпочтительным оказался метод регистрации самосвечения плазмы в оптическом диапазоне с использованием камеры-обскуры, совмещенной с электронно-оптическим преобразователем.
В конечной фазе ПФ, во время кумуляции ТПО на оси установки, формирования плотного пинча и вплоть до его развала использовались методы лазерного зондирования и фотографирования в мягком рентгеновском диапазоне самосвечения плазмы с помощью камер-обскур как интегральных, так и с разрешением во времени. Все диагностики были синхронизованы с импульсом разрядного тока. Типичная осциллограмма тока, полученная на установке ПФ-400, показана на Рисунке 3.
Рисунок 3 - Осциллограмма тока установки ПФ-400 (установка Тюльпан).
В разделе 4.1.1 приводятся результаты исследований ПФ на начальной стадии разряда. Начальная стадия разряда в ПФ оказывает существенное влияние на свойства ПФ в конечной фазе и свойства жестких излучений. В диссертации процессы на данной стадии изучалась с помощью электроннооптических регистраторов на основе МКП с временным разрешением [13].
Типичные фотографии разряда, полученные с 3 нс экспозицией на установке ПФ-4 показаны на Рисунке 4.
Рисунок 4 - Фотографии ПФ в видимом свете (самосвечение), снятые с помощью ЭОП. Экспозиция 3 нс. (а) - 200 нс после подачи напряжения на анод ПФ (порядка 2000 нс до максимального сжатия), (б) - токово-плазменная оболочка в межэлектродном зазоре (1500 нс до максимального сжатия), (в) - 420 нс до максимального сжатия, (г, д,) - 70 нс до максимального сжатия. (в, д) - вид со стороны анода, (а,б,г) - вид с боку.
В результате исследований установлено, что для этой стадии разряда характерно образование предпинча на оси установки и филаментная структура токово-плазменной оболочки (Рисунок 4д). Величина тока в предпинче не более 5% от полного тока. Филаментация ТПО особенно проявляется как во время тренировочных разрядов, так и при плохих вакуумных условиях в разрядной камере.
В разделе 4.1.2 приводятся результаты исследований динамики и структуры токово-плазменной оболочки и пинча на стадии образования на оси установки плотного плазменного пинча. Приводятся основные результаты исследований динамики и структуры ТПО в заключительной фазе, проведенных автором с использование лазерных методов на различных установках: Флора - Тюльпан (ФИАН), 1 МДж ПФ (Центр Фраскати), ПФ-(РНЦ Курчатовский институт).
На установке 1 МДж плазменный фокус в Центре Фраскати исследовалась динамика и структура ТПО при различных начальных условиях: давлении P0 рабочего газа и напряжении зарядки U0 [14, 15].
Выявлены три характерных режима работы ПФ:
- режим низкого давления (P0 = 1мм.рт.ст. U0 = 20 кВ);
- режим оптимальный относительно нейтронного выхода (U0 =25 - 28 кВ, P0 = 6-8 мм. рт. ст.);
- режим с высоким давлением (P0 = 12 мм.рт.ст., U0 = 25 кВ).
В режиме с низким давлением образование МГД неустойчивостей наблюдается до наступления максимального сжатия пинча. МГД неустойчивости имеют характерный масштаб < 1 мм (Рисунок 5). Скорость ТПО достигает величины 5107 см/с.
Рисунок 5 - Тенеграмма пинча в режиме с низким давлением.
В режиме с максимальным выходом нейтронов (порядка 1012) пинч сжимается до диаметра порядка 1 см (Рисунок 6), после чего образуются МГД неустойчивости перетяжечного типа (m = 0) (как правило, одна перетяжка). В перетяжке диаметр пинча 2-3 мм. Перетяжка быстро разрушается, процесс разрушения сопровождается импульсами жесткого рентгеновского и нейтронного излучений. Плотность в максимуме сжатия достигает величины 51018 - 1019 см-3.
Рисунок 6 - Интерферограммы ПФ в оптимальном режиме.
В режиме с высоким начальным давлением в разрядной камере наблюдается филаментация ТПО (Рисунок 7). Выход нейтронов - низкий (< 1011н/имп).
Рисунок 7 - Теневая фотография ПФ с высоким давлением рабочего газа D2.
На установках филипповского типа "Флора" и "Тюльпан" (ФИАН) исследование динамики процессов, протекающих в ПФ, осуществлялось при различных начальных условиях: давлении газа, газового состава (добавки Ч Ar, Хе), напряжении. В результате было установлено, что существует два режима работы ПФ: режим с образованием на оси камеры плотного пинча (пинчевый режим) и режим без образования пинча с высоким выходом жесткого рентгеновского излучения - рентгеновский режим [16, 17].
Пинчевый режим на этих установках в целом подобен оптимальному режиму, наблюдаемому на установке мэйзеровского типа (Фраскати). В рентгеновском режиме, имеющему место при низком давлении дейтерия (< 0,3 мм.рт.ст.) и при использовании добавок ксенона или аргона пинч не образуется. Вместо этого наблюдается образование прианодной плазмы, имеющей слоистую структуру. Процесс образования прианодной плазмы сопровождается мощным рентгеновским и нейтронным излучениями (Рисунки 8,9).
Рисунок 8 - Фотографии a,b соответствуют началу генерации ЖР излучения; фотографии c,d - получены в момент максимума импульса ЖР излучения. Время экспозиции - 2нс.
азерное зондирование плазмы, создаваемой в установке ПФ-3, выполнено в рамках исследований, проводимых на данной установке по изучению возможности сжатия твердотельных мишеней токово-плазменной оболочкой и магнитным полем. В качестве рабочего газа был выбран газ неон.
Особенностью структуры пинча в этих экспериментах было:
- ТПО имеет два максимума в профиле плотности;
- два импульса мягкого рентгеновского излучения. Импульсы коррелируют с выходом двух максимумов плотности в ТПО на ось установки;
- движение ТПО к оси сопровождается интенсивным образованием особенностей в виде лязыков на обширной части внешней поверхности ТПО.
В разделе 4.2 приводятся результаты исследования рентгеновского излучения. При использовании в качестве рабочего газа чистого водорода или дейтерия МР излучение идет из области, занимаемой плазмой пинча, и полностью задерживается фильтром, имеющим границу поглощения около кэВ. Как правило, МР излучение наблюдается в момент максимального сжатия и в момент (или сразу после) разрыва пинча. Диаметр излучающей области в зависимости от энергетики установки изменяется от нескольких мм до 1 и более см.
При работе установки как на дейтерии с добавками инертных газов (неон, аргон, криптон или ксенон), а также на одних инертных газах, либо их смесях наблюдается образование так называемых "горячих точек", рентгеновское излучение из которых оказывается особенно интенсивным.
Плотность плазмы в этих точках достигает величины порядка 1021см-[18], а температура несколько кэВ. Размеры этих точек оказываются менее 100 мкм.
В разделе 4.3 приведены результаты исследования нейтронного излучения на установках с энергетикой от 4 кДж до 1 МДж [19]. На Рисунке 9 приведены данные по абсолютному нейтронному выходу в зависимости от энергетики установки. Результаты, отмеченные Х, получены с помощью методики, разработанной в ФИАН. Использование однотипной методики на установках различной энергоемкости позволило с высокой надежностью установить зависимость нейтронного выхода от энергетики установок. На Рисунке 10 изображена зависимость максимального нейтронного выхода для различных установок от тока в разрядном контуре.
Рисунок 9 - Зависимость нейтронного выхода от энергетики установки плазменный фокус.
Рисунок 10 - Зависимость нейтронного выхода от тока для различных установок ПФ.
Сравнение результатов по нейтронным измерениям показывает, что скэйлинг по энергии (Y ~ E2) на мегаджоульных установках не выполняется.
Вместе с тем продолжает выполняться скэйлинг по току (Y ~ I 4).
В разделе 4.4 приведены результаты исследований влияния мощного лазерного излучения (МЛИ) на динамику физических процессов, протекающих в плазменном фокусе (ПФ), в двух режимах его работы - пинчевом и рентгеновском. Целью данных исследований было выяснение возможности достижения экстремальных величин интенсивности жестких излучений за счет изменения динамики сжатия при сильной неравновесности исходной плазмы, изменения распределения токов через пинч, сильного сжатия пинче. В результате этих исследований установлено, что в пинчевом режиме динамика пинча претерпевает существенные изменения, приводящие к уменьшению минимального радиуса пинча в момент максимального сжатия за счет резкого охлаждение плазмы пинча из-за сильных радиационных потерь. При этом наблюдается значительное увеличение интенсивности МР излучения. Одновременно с уменьшением диаметра пинча в момент максимального сжатия достигается значительное увеличение плотности тока в области перетяжки, что приводит к развитию здесь турбулентных процессов, приводящих к генерации быстрых частиц, который проявляется в появлении второго импульса ЖР излучения.
В рентгеновском режиме воздействие МЛИ на анод до момента появления импульса ЖР излучения над анодом возникает плотный и протяженный пинч, жестко привязанный к месту фокусировки лазера Энергия мягкого рентгеновского излучения пинча (со средней энергией 6 Ч 8 кэВ), излучаемой в полный телесный угол, составила около 1 кДж, т. е.
несколько процентов от энергии, запасенной в конденсаторной батарее ПФ.
В разделе 4.5 приводятся результаты исследований структуры ТПО с применением магнитных зондов и интерферометрии. Установлено, что сигнал с зондов состоит из двух импульсов. Наличие этих импульсов связывается с двумя областями протекания тока - ударной волной и скинслоем ТПО. По относительной величине этих импульсов можно сделать вывод о хорошем и плохом сжатии пинча ПФ. При хорошем сжатии первый импульс всегда меньше второго импульса.
В разделе 4.6 приводятся результаты наблюдения образования сферических плазменных структур на установке ПФ-4 (Рисунок 11). Эти структуры имеют место при работе установки с более длинным центральным электродом по сравнению с оптимальным, при котором достигается согласование динамики ТПО с разрядным контуром.
Рисунок 11 - Последовательные фазы образования сферических плазменных структур в ПФ-4 (1- за 20 нс до особенности, 2 - за 14 нс до особенности, 3 - за 6 нс до особенности, 4 - за 3 нс до особенности, 5 - в момент особенности, 6 - 5 нс после особенности. 7- 10 нс после особенности.
В разделе 4.7 приводятся результаты по исследованию кумулятивных струй в ПФ. Кумулятивные потоки возникают вследствие нецилиндричности токово-плазменной оболочки (ТПО). Как правило, токово-плазменная оболочка имеет коническую форму с вершиной, обращенной к аноду (наподобие воронки). Форма ТПО во многом определяется геометрией электродов. Динамика (ТПО), ее форма и плотность плазмы в ней определяют параметры кумулятивного плазменного потока, формируемого в момент схождения ТПО на оси установки. В связи с этим были проведены исследования ТПО в различных режимах работы установки - при разных давлениях рабочего газа, при разных напряжениях зарядки конденсаторной батареи, а также при различной конфигурации электродов. В результате были найдены оптимальные параметры разрядной камеры и начальных условий, позволяющие формировать плазменные потоки с экстремальными параметрами.
В ГЛАВЕ 5 дается обсуждение полученных экспериментальных данных.
Как показывают эксперименты, проведенные на указанных выше установках, в основных чертах процессы в ПФ сходны. В зависимости от энергетики меняются характерные размеры ТПО и пинча и длительности процессов кумуляции ТПО на оси, продолжительность существования пинча. Типичные значения электрических параметров указанных установок ПФ:
напряжение Ч 10Ц40 kV;
максимальный ток Ч 0,1Ц5 MA;
длительность полупериода тока Ч2Ц20 s.
В результате проведенных исследований обнаружено, что в ПФ наблюдается ряд таких эффектов, как:
- азимутальные токово-плазменные структуры (филаменты, нити) - Рисунок 7 [14, 15, 20];
- взрывное разрушение токовой оболочки вблизи анода [17, 20];
- продольные токово-плазменные структуры типа плазмоидов (Рисунок 5) [21, 22];
- абляционный взрыв в центральной части анода и расслоение прианодного облака сложного фазового состава (Рисунок 8) [15, 20];
- эффект УубеганияФ токовой оболочки вблизи анода (Раздел 4.1.2) [20];
- следы на поверхности анода и изолятора, указывающие на существование регулярной периодической структуры тока вблизи анода (зона контакта) с размерами порядка нескольких микрон [23];
- аномально сильное рассеяние лазерного излучения в зоне контакта [20].
В разделе 5.1 рассмотрены самоорганизующиеся токово-плазменные структуры - азимутальные (токовые волокна) и аксиальные. Показано, что ТПС оказывают существенное влияние на динамику ПФ и его излучательные характеристики.
В разделе 5.1.2 рассмотрены продольные периодические ТПС. Показано, что возникновение этих структур может быть объяснено образованием перетяжек, эволюция которых приводит возникновению в каверне перетяжки тороидального плазмоида -пинчевого типа. Возможность образования таких структур также показана в экспериментах И.Ф. Кварцхава [22] с тетапинчами, где наблюдались так называемые Н-волокна - самоорганизующиеся плазменные образования, вытянутые вдоль внешнего магнитного поля и периодически распределенные по азимуту. Показано, что ТПП оказывают существенное влияние на перераспределение токов между керном и периферией в плазменном столбе или трубке. Расчеты показали, что структура каверны существенно зависит от соотношения плотностей в короне и керне: при величине этого отношения 10-3 имеет почти круглую форму, а, приближаясь к 0.3, становится вытянутой вдоль радиуса.
В разделе 5.2 обсуждаются приэлектродные эффекты и динамика плазмы в зоне контакта плазма - электрод. При изучении физики сильноточного разряда часто игнорируется промежуточный по пространственно-временным масштабам уровень - субструктура плазменных образований и, в особенности, процессы, которые разыгрываются в зонах контакта плазменного столба с электродами на микронных пространственных и наносекундных временных масштабах. Обнаруженная в рентгеновском режиме ПФ слоистая поперечная плазменная структура вблизи анода, повидимому, может быть объяснена снижением проводимости плазмы в области контакта плазма-анод. Вследствие чего увеличивается энерговыделение в этой области, приводящее к УвзрывуФ на поверхности анода. Возникающий при этом слой плазмы отчетливо виден на тенеграммах.
В результате этого УвзрываФ происходит увеличение проводимости плазмы на некоторое время. Энерговыделение при этом уменьшается. Этот процесс может повторяться в течение одного разряда несколько раз, приводя к образованию мультислойной плазменной структуры. Подтверждением этого процесса может служить также наличие резких пичков, наблюдаемых на осциллограмме импульса жесткого рентгеновского излучения.
В разделе 5.3 рассмотрены причины, приводящие к эффекту убегания (срыву) ТПО в рентгеновском режиме ПФ. Возможные причины: эффект Холла в плазме с конечной проводимостью; недостаточная эмиссия ионов в область контакта плазма - анод. Недостаток ионов в этой области может привести к формированию здесь двойного слоя и как следствие к ограничению тока через пинч. Создание двойного слоя в прианодной области, сопровождается значительным увеличением сопротивления, возникновением сильного электрического поля и повышенной эрозией материала анода.
Поступление в зону контакта в результате сильной эрозии ионов с большим Z, как показано в [24], может вызвать разбиение тока на нити и способствовать быстрому проникновению тока к оси камеры ПФ вблизи анода, т.е. срыв (убегание ТПО). В результате быстрого (не более 10 нс) перераспределения тока в этой области возникает сильное электрическое поле, в котором электроны и ионы ускоряются до энергий от 100 кэВ и выше.
Поток ускоренных электронов, воздействуя на материал анода, приводит к сильной взрывной абляции анода, о чем свидетельствует теневые интерферометрические снимки. Оценки показывают, что энергия, вкладываемая потоком электронов в анод, порядка 1 кДж, а плотность потока энергии будет 1012 Вт/ cм2.
В разделе 5.4 обсуждается эффективность сгребания токовой оболочкой рабочего газа плазменного фокуса. Показано, что плохое сгребание обусловлено филаментацией ТПО. На основе анализа осциллограмм производной тока, электронно-оптических фотографий разряда, и данных нейтронного выхода формулируется критерий эффективности сгребания, пользуясь которым по ходу кривой производной тока можно судить о существенности паразитного шунтирования остаточной плазмой около изолятора.
В разделе 5.5 рассмотрены причины насыщения нейтронного выхода на установках с мегаджоульной энергетикой. Причинами насыщения нейтронного выхода (включая выход жесткого рентгеновского излучения) могут быть физические процессы, связанные с выше рассмотренными свойствами сильноточного разряда - МГД неустойчивостями (азимутальные и аксиальные), свойствами плазмы в зоне динамического контакта анодплазма, периферийного шунтирования тока пинча (кроубар), азимутальное вращение плазмы пинча. Насыщение нейтронного выхода может быть обусловлено также и чисто электротехническими причинами (согласование разрядного контура с динамической плазменной нагрузкой), ограничивающими рост тока разряда при увеличении энергетики установки, и таким образом, приводящие к снижению (в сравнении с ожидаемым значением) нейтронного выхода [25].
Увеличение энергетики плазмофокусных установок осуществляется, как правило, за счет увеличения емкости конденсаторного накопителя при постоянном напряжении зарядки батареи, т.е. путем увеличения количества параллельно включенных конденсаторов. Так как увеличение емкости батареи ведет к увеличению длительности разряда, то для того чтобы выполнить условие согласования динамики ТПО с длительностью импульса тока (кумуляция токовой оболочки на оси установки в максимуме тока) необходимо увеличивать длину электродов разрядной камеры, что неизбежно приводит к увеличению индуктивности камеры. Тем самым дальнейшее увеличение емкости батареи уже не сопровождается повышением тока разряда. Происходит насыщение тока разряда, и соответственно насыщение нейтронного выхода.
В разделе показано, что насыщение тока особенно значительно на установках ПФ мейзеровского типа. Так для установки ПФ-1000 при существующей в настоящее время геометрии электродов максимально достижимый ток составляет величину 2-2,5 МА, что согласуется с экспериментом. Для филипповской геометрии ПФ в отличие от мэйзеровской доминирующей индуктивностью разряда в мегаджоульном диапазоне будет не индуктивность камеры - она мала в этом случае, а индуктивность пинча:
L = 2hln R / r. Здесь: h - высота пинча, rp, R, r - соответственно радиусы p p пинча, катода и анода. В диссертации [25] получена формула для оценки величины максимального тока разряда в установке филипповского типа:
Imax 108 U /h, ( - длительность радиального сжатия, U - напряжение).
Исходя из этого соотношения, для самой большой установки ПФ филипповского типа установки ПФ-3 (см. Таблицу 1), получим оценку максимально достижимого тока Imax 300 U (высота пинча h, приближенно равна 5см). При рабочем напряжении U=12-15 кВ получим Imax = 3,6 - 4,5 МА, что сопоставимо с экспериментом (Таблица 1). Аналогичные соотношения для упоминавшихся ранее мощных мейзеровских установок: для установки PF-1000: Imax 60 U и для 1МДж ПФ во Фраскати: Imax 80 U. Как видно из сравнения приведенных оценок максимально достижимого тока, с электротехнической точки зрения филипповская геометрия обладает значительным потенциалом.
В настоящее время становится очевидным, что на пути дальнейшего повышения нейтронного выхода нужно двигаться не посредством простого увеличения энергетики установок, а благодаря нахождению эффективной геометрии электродов в сочетании с повышением напряжения используемой батареи. С этой точки зрения перспективы использования филипповской геометрии в мегаджоульном диапазоне выглядят оптимистичнее, но еще мало изучены, поскольку существует лишь одна подобная установка - ПФ-(РНЦ Курчатовский институт), работающая на низком напряжении и только при использовании тяжелых газов.
В ГЛАВЕ 6 рассматриваются различные применения плазмофокусных установок в материаловедении и технологиях материалов.
Импульсная плазма, создаваемая в данных устройствах, является мощным источником как электромагнитных излучений в широком интервале длин волн (от инфракрасного до жесткого рентгеновского излучения), так и корпускулярных и плазменных потоков. Именно на этих свойствах плазмы основываются исследования по изучению возможностей ее применения в технологиях.
В разделе 6.1 приведены результаты исследований по применению потоков высокотемпературной плазмы в технологии материалов. В диссертации изучена возможность применения сверхмощных высокоскоростных потоков плазмы с плотностью потока энергии на мишени 108-1010 Вт/см2. Физической основой предлагаемого метода является изменение свойств материалов за счет воздействия на них концентрированных потоков энергии, при котором вещество переходит в экстремальное состояние (сверхвысокие температура, плотность и давление).
В качестве генератора таких потоков энергии использованы сильноточные установки типа плазменный фокус с энергозапасом от 4 до 400 кДж.
Результатом такого воздействия является возникновение и ударных волн, и избыточных точечных дефектов, имплантация высокоэнергетических ионных компонент в материал при интенсивностях, на много порядков превышающих интенсивность при обычной имплантации, ускорение диффузионных процессов и фазовых превращений. Это дает основание считать, что на основе использования установок типа плазменный фокус можно создать новую технологию изменения объемных и поверхностных свойств материалов. И, в частности, разработать методы нанесения покрытий с высокой степенью адгезии, в том числе из химически не соединяющихся элементов (например, покрытие вольфрама медью для катодных узлов радиоэлектронной аппаратуры с высокой степенью адгезии). Представляет практический интерес создание материалов с регулируемым содержанием дейтерия или трития для мишенных узлов нейтронных генераторов.
В разделе 6.1.1 приведены результаты исследования по воздействию высокоскоростных потоков дейтериевой плазмы на материалы с целью изучения их пригодности для использования в термоядерных реакторах [26].
В качестве испытуемых образцов был использован ванадий и его сплавы с галлием и кремнием. Основанием для выбора ванадия послужило то, что он является малоактивируемым металлом, на основе которого разрабатывается новое поколение конструкционных и функциональных материалов, прежде всего для термоядерной энергетики. В качестве сплавов использовались системы V-Ga-Si как с твердорастворным упрочнением, так и совместным твердорастворным и дисперсионным упрочнением.
Поскольку при срывах плазмы в термоядерном реакторе (ТЯР) с магнитным удержанием плазмы она непосредственно действует на материал первой стенки реактора, то, прежде всего, следует ожидать изменение его поверхностных свойств. То же самое будет происходить в ТЯР с инерционным удержанием плазмы с внутренней поверхности материалов взрывных камер ТЯР при ее разлете при реакции синтеза. Изменение объемных свойств материалов при импульсном воздействии на них водородной плазмы в ТЯР можно ожидать за счет ударных волн, которые могут образоваться вследствие разлета элементов поверхностных слоев материала, возникновения температурного градиента в них и непосредственного сжатия их самой импульсной плазмой. Одним из важных свойств материалов, предназначенных для термоядерной энергетики, является их сопротивление насыщению дейтерием и изменению физикомеханических свойств при срывах плазмы, которые возможны в процессе работы термоядерного реактора.
Эксперименты проводились на установке ПФ-4. Максимальная энергия конденсаторного накопителя была в пределах 3,6 - 4 кДж при токе 400 кА.
Диапазон энергий ионов дейтерия в импульсе от 10 до 200 кэВ. Скорость дейтериевой плазмы - (2 - 10)107 см/с при плотности плазмы 1018 см-3.
Время действия импульса дейтериевой плазмы не превышало 100 нс, что соответствует экспериментальным значениям промежутка времени при срыве плазмы в термоядерном реакторе с магнитным удержанием плазмы.
Плотность потока энергии при одном импульсе составляла 108 Вт/см2.
Имитационные исследования изменения свойств ванадия были проведены при 10 импульсах плазмы. Временной интервал между импульсами составлял более 3 мин. Выход нейтронов по реакции D-D составлял 108 за импульс.
Экспериментально показано, что при воздействии импульсной дейтериевой плазмы на поверхности ванадия образуются волны, изменяется морфология поверхности за счет высоких скоростей деформации и высоких температур в зоне воздействия импульсной плазмы. Следствием воздействия импульсной плазмы является образование ударных волн, распространение которых приводит к изменению объемных свойств ванадия. Установлено, что часть частиц ванадия кумулятивно выбрасывается с необлученной стороны тонкой мишени в жидком состоянии. Обнаружено сверхглубокое проникновение дейтерия в объем ванадия на глубину больше 0,2 мм, что существенно превышает глубину, которая наблюдалась бы при диффузии дейтерия по обычному межузельному механизму или же при имплантации ионов дейтерия из импульсной плазмы.
В разделе 6.1.2 диссертации рассматривается возможность использования сверхмощных концентрированных потоков высокотемпературной плазмы для создания нанодисперсных материалов и наноструктурных покрытий распылением материалов мощным импульсом высокотемпературной плазмы. В отличие от низкотемпературной плазмы в предлагаемом методе возможно осуществление комплексного воздействия высокоскоростных (107-108 см/c) плазменных потоков различного химического состава, ионных и электронных частиц с энергиями от нескольких кэВ до МэВ. Исследования по данному направлению находятся в начальной стадии. В качестве образцов использовались пластины ванадия толщиной 0,3 мм. В выполненных нами работах по воздействию плазменных потоков на ванадий было показано, что, помимо выбросов жидких капель и отколов, на обратной, неподверженной воздействию плазмы, поверхности ванадия происходит образование пылеобразного облака из наночастиц. Эти выбросы приводят к возникновению на поверхности ванадия кратеров различного размера. При этом некоторые из кратеров имеют внутренние викерсные образования, а из возникших брустверов выбрасываются тонкие нитевидные образования толщиной 10 нм. Регистрация выбрасываемых с поверхности частиц ванадия осуществлялась с помощью хорошо отполированной пластины кремния, служащей в качестве мишени для частиц. Пластина кремния устанавливалась на расстоянии 1 мм от обратной стороны ванадия, на которую не действовала плазма. На Рисунке представлен случайно выбранный участок кремниевой пластины-мишени после кумулятивного выброса пылевых частиц. Как можно видеть, выбранный участок усеян микрочастицами ванадия, плотность которых неравномерна по исследуемой поверхности и может достигать в некоторых точках 30 частиц/мкм2. На представленном профиле распределения по высоте частиц видно, что частицы имеют высоту над поверхностью кремния 5 нм и менее, а диаметр их 20 нм. Следует отметить, что помимо частиц на поверхности встречаются кратерные углубления размером по глубине 2 нм, а диаметром на поверхности 20 нм. Наличие микрократеров дает основание предположить, что скорость пылевых кумулятивных частиц больше, чем км/с. Это позволяет сделать вывод, что наблюдаемые наночастицы могут иметь высокую адгезию к поверхности кремния. Создание таких поверхностных покрытий из наночастиц должно приводить к существенному изменению электрофизических и оптических свойств поверхностных слоев материалов и может быть использовано при создании нанопокрытий для оптики и электроники.
Рисунок 12 - Поверхность кремниевой пластины, помещенной за облучаемым образцом ванадия (атомно-силовая микроскопия).
В разделе 6.1.3 приведены результаты исследований по применению ПФ для легирования металлов химически не взаимодействующими с ними элементами. В качестве примера легирования металлов была выбрана система вольфрам-медь, элементы которой не взаимодействуют друг с другом ни в жидком, ни в твердом состояниях. Ранее подобные соединения, или псевдотвердые растворы, могли создаваться или прямой ионной имплантацией, особенно широко применяемой в полупроводниковой промышленности, или так называемой имплантацией отдачи, суть которой заключается в нанесении на поверхность материала слоя имплантированного элемента с последующим или одновременным вбиванием атомов этого элемента высокоскоростными ионами химически нейтральных газов (гелий, аргон). Основным недостатком этого метода является большие времена достижения необходимой концентрации внедряемого элемента в поверхностный слой материала матрицы.
В диссертации впервые показана возможность легирования металлов элементами, не взаимодействующими с ним, с помощью концентрированных импульсных потоков энергии большой мощности, создаваемой на установках типа плазменный фокус. Также показано, что природа проникновения химически нейтральных атомов в материал мишени может быть связана с процессами: передачей энергии атому от концентрированных импульсных потоков энергии, зарождением и распространением ударных волн в материале мишени, а также развитием МГД неустойчивостей типа Рэлей - Тэйлора на границе двух материалов.
В разделе 6.2 рассматривается возможность применения в технологиях ПФ как источника мягкого рентгеновского ультрафиолетового излучений. В последнее время в связи с бурным развитием исследований в области нанотехнологий задача создания эффективных источников рентгеновского и ультрафиолетового излучений является актуальной. Данные источники должны удовлетворять ряду требований, среди них важнейшими являются - высокая монохроматичность спектра и малая расходимость излучения.
Исследования по созданию таких источников в настоящее время ведутся по нескольким направления: рентгеновские лазеры, синхротронное излучение, капиллярные разряды, вакуумные низко-индуктивные разряды. В диссертации рассмотрена возможность построения источника МР и УФ излучений на основе плазменного фокуса. Основными достоинствами такого источника являются высокий кпд преобразования электрической энергии в излучение (>10%), возможность работы без смены электродов в частотном режиме, широкий диапазон длин волн в рентгеновском диапазоне от 1-20 и в УФ диапазоне (100-130 ). Рентгеновское излучение (РИ), генерируемое этими установками, характеризуется исключительно высокой интенсивностью порядка 1010 Вт (1024-1025 квантов в секунду), малой длительностью импульса 10-8-10-7с, возможностью перестройки спектра РИ по длинам волн в диапазоне 0,04 - 2 нм, а также возможностью работы в регулируемом частотном режиме от 10 Гц до 25 Гц. На примере установки ПФ с энергетикой 4 кДж показана возможность применения установок данного типа для рентгенолитографии [27,28]. Также, рассмотрена возможность использования таких источников для изучения методом рентгеновской дифрактометрии [29] упорядоченной микроструктуры биологических объектов, в частности структуры белка, мембран, ДНК молекул, новых полимерных систем и полиморфизма в диапазоне размеров как от 0,1 нм до 1,0 нм, так и более 1,0 нм. Параметры РИ позволяют проводить анализ образцов в реальном масштабе времени.
В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты и выводы диссертации:
1. Создан экспериментальный комплекс "Тюльпан", состоящий из установок типа плазменный фокус филипповской и мейзеровской модификаций, синхронизированных с мощным лазером на неодимовом стекле. Наличие в составе комплекса плазменных установок с энергетикой от 4 кДж до 0,4 МДж, обеспечивает получение тока в плазме от 300 кА до 3 МА с плотностью выше 107А/см2, что позволяет изучать возникающие при таких экстремальных условиях фундаментальные свойства плазмы, масштабные закономерности (выход жестких излучений, формирование корпускулярных и плазменных потоков). Установка позволяет также проводить исследования по воздействию концентрированных потоков частиц и квантов на различные вещества и материалы.
2. Разработан многофункциональный диагностический комплекс для исследования плазмы. Комплекс позволяет одновременно проводить изучение плазмы с использованием лазерных методов (высокоскоростная многокадровая интерферометрия и теневое фотографирование), рентгеновских методов (с временным и пространственным разрешением) в мягком и жестком диапазонах длин волн, нейтронных методов, зондовых методов измерения магнитного поля и тока, методов изучения динамики плазмы и кумулятивных потоков с использование электроннооптических преобразователей и др.
3. Проведены исследования свойств плазмы и ее излучений на установках различных модификаций и с энергоемкостью от 4 кДж до 2,8 МДж.
4. В результате экспериментальных исследований, проведенных на установках ПФ различных модификаций и энергоемкостью от 4 кДж до МДж установлено, что на установках ПФ выполняется нейтронный скэйлинг по току ( Yn ~ I ). Показано, что наблюдаемое на мегаджоульных установках мэйзеровского типа отклонение от скэйлинга по энергии (Yn ~ E ) (насыщение нейтронного выхода) обусловлено низкой эффективностью передачи энергии, запасенной в конденсаторном накопителе, в динамическую плазменную нагрузку (пинч). Предложены способы преодоления насыщения нейтронного выхода на установках мегаджоульного уровня.
5. Получены новые данные о динамике и устойчивости плазмы, создаваемой в установках типа плазменный фокус. Изучены различные виды самоорганизующихся токово-плазменных структур и их влияние на выход жестких излучений. Выявлена роль субструктуры плазменных образований и, в особенности, процессов, в зонах контакта плазменного столба с электродами, препятствующих достижению сверхвысоких значений плотности тока.
6. Получены новые данные о свойствах кумулятивных плазменных потоках, генерируемых в ПФ. Экспериментально установлены оптимальные параметры электродов и давления в разрядной камере, при которых происходит формирование остронаправленных кумулятивных потоков плазмы.
7. Впервые обнаружено формирование на оси ПФ установки предпинча.
Показано, что наличие предпинча может влиять на параметры плазмы в момент максимального сжатия токово-плазменной оболочки на оси ПФ.
8. Впервые обнаружено формирование сферических плазменных структур.
Образование этих структур может быть связано с выходом кумулятивной струи из пинча и ее взаимодействием с газовой средой вне пинча.
9. Показано, что установки типа плазменный фокус могут быть использованы как источники мягкого рентгеновского излучения для рентгенолитографии, микроскопии для изучения структуры материалов методами малоуглового рассеяния.
10. Показано, что установки типа плазменный фокус могут применяться для испытания материалов, предназначаемых к использованию в термоядерных устройствах. Проведены исследования по воздействию кумулятивных плазменных потоков на ванадий и его сплавы. Изучены поверхностные и объемные изменения свойств образцов из ванадия и его сплавов с галлием и кремнием.
11. Впервые показана возможность легирования металлов элементами, химически невзаимодействующими с ними, с помощью концентрированных импульсных потоков энергии большой мощности, создаваемых на плазмофокусных установках.
12. Впервые продемонстрирована возможность получения сплавов металлов, нерастворимых друг в друге ни в жидком, ни в твердом состоянии. В качестве примера была реализована сварка вольфрама и меди, вольфрама и алюминия, вольфрама и железа. На данный метод сварки получен патент.
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Д.П. Петров, Н.В. Филиппов, Т.И. Филиппова, В.А. Храбров. "Мощный импульсный газовый разряд в камерах с проводящими стенками". В сб. Физика плазмы и проблемы управляемых термоядерных реакций.
Изд. АН СССР, 1958, т. 4, с. 170-181.
2. J.W. Mather //Phys. Fluids, 1965, 8, P. 365.
3. Н.Г. Басов, В.А. Веретенников, В.А. Грибков, А.В. Дубровский, А.И.
Исаков, Н.В. Калачев, Т.А. Козлова, О.Н. Крохин, В.Я. Никулин, О.Г.
Семенов, Г.В. Склизков, "Установка ФЛОРА для исследования комбинированного лазерно - пучкового нагрева плазмы". III Международная конференция "Лазеры и их применение", Дрезден, ГДР, 1977 г.
4. Н.Г. Басов, В.А. Веретенников, В.А. Грибков, А.В. Дубровский, А.И.
Исаков, Н.В. Калачев, Т.А. Козлова, О.Н. Крохин, В.Я. Никулин, О.Г.
Семенов, Г.В. Склизков, "Установка "ФЛОРА". О возможности применения источников релятивистского электронного потока на основе разрядов типа Z-пинча для создания импульсного плазменного нейтронного источника". Препринт ФИАН, № 147, 1978 г.
5. O.N. Krokhin, V.Ya. Nikulin et al. УThe upgraded plasma focus installation УFLORAФ- the installation УTULIPФ. Journal of Technical Physics, vol.
XL, № 1, Warszawa 1999.
6. Н.В. Филиппов Нецилиндрический зет-пинч (плазменный фокус).
Диссертация на соискание ученой степени доктора физикоматематических наук. М.: ИАЭ, 1980.
7. V.D. Ivanov, V.A. Kochetov, M.P. Moiseeva, A.A. Palkin, E.B. Svirskii, A.R. Terentiev, N.V. Filippov, T.I. Filippova, V.A. Veretennikov, V.P.
Vyskubov, V.A. Gribkov, A.V. Dubrovskii, A.I. Isakov, N.V. Kalachev, T.A. Kozlova, V.M. Korzhavin, O.N. Krokhin, V.Ya. Nikulin, O.G.
Semenov, P.V. Silin, V.A. Suvorov, and Yu.N. Cheblukov. "Experimental Studies on Plasma Focus". In Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, IAEA, Vienna, 1981, P. 161-176.
8. В.В. Вихрев, С.И. Брагинский, в кн. Вопросы теории плазмы. М.:
Атомиздат, 1980, т. 10. с. 243-312.
9. В.А. Грибков, В.Я. Никулин, Склизков Г.В. // Квантовая электроника, № 6, 1971, С. 60-68.
10. Грибков В.А., Никулин В.Я., Склизков Г.В. Увеличение плотности плазмы при столкновении лазерных факелов. Сб. Краткие сообщения по физике, № 2, 1971 г.
11. O.N. Krokhin, V.Ya. Nikulin, E. N. Peregudova, I.V. Volobuev, УCompact Activation Detectors for Measuring of Neutron Emission on Plasma Focus InstallationsФ, // J. Problems of Atomic Science and Technology.Series "Plasma Physics"(10), Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт", №1, 2005, C. 101-103.
12. O. N. Krokhin, V.Ya. Nikulin, M. Scholz, I.V. Volobuev. The Measurements of Neutron Emission on Plasma Focus Installations with Energy Ranging from 4 to 1000 kJ, Proc. of 20th Symp. on Plasma Physics and Technology, p. 61, Prague, 2002.
13. V.Ya. Nikulin, S.P. Eliseev, A.V. Oginov, A.A. Tikhomirov, Laser, Xray and optical diagnostics on the УTuylpanФ installation, // Czechoslovak Journal of Physics Volume 56, Supplement 2, 2006, B315-B323.
14. L. Bilbao, H. Bruzzone, V.Ya. Nikulin, J.-P. Rager. "Plasma dynamics during neutron production in the Frascati 1 MJ plasma focus device".
Internal Report of Centro di Frascati. No. 80.11. April, 1980.
15. V.A. Gribkov, V.Ya. Nikulin, V.M. Fadeev, Ya.K. Khodataev, Selforganizing current-plasma structures in a dense plasma focus, // J.Moscow Phys. Soc., v.3, 1993, p.p. 75-84.
16. В.А. Грибков, А.В. Дубровский, А.И. Исаков, Н.В. Калачев, Т.А.
Козлова, В.М. Коржавин, В.Я. Никулин. Динамика плазмы плазменного фокуса и исследование влияния на нее мощного лазерного излучения, Труды ФИАН, т.127, стр.32-61, "Наука", 19г.
17. O.N. Krokhin, N.V. Kalachev, V.Ya. Nikulin, Yu.S. Malafeev, S.N.
Polukhin, S.P. Tsybenko УPlasma-Current Structures of Plasma Focus during the Current DisruptionФ, Czech. J. Phys., vol.50, Suppl. S3, pp. 97Ц 100, 2000.
18. В. А. Грибков, С. Денус, А. В. Дубровский, А.И. Исаков, Н.В.
Калачев, О.Н. Крохин, В.Я. Никулин, С. Следзиньский, С. Чекай.
"Рентгеновское излучение плазменного фокуса при лазерном воздействии". // Физика плазмы, т.11, в.1, (1985), стр. 117-122.
19. O. N. Krokhin, V.Ya. Nikulin, M. Scholz, I.V. Volobuev. The Measurements of Neutron Emission on Plasma Focus Installations with Energy Ranging from 4 to 1000 kJ, Proc. of 20th Symp. on Plasma Physics and Technology, p. 61, Prague, 2002.
20. В.А. Грибков, А.В. Дубровский, А.И. Исаков, Н.В. Калачев, Т.А.
Козлова, В.М. Коржавин, В.Я. Никулин. Динамика плазмы плазменного фокуса и исследование влияния на нее мощного лазерного излучения, Труды ФИАН, т.127, стр.32-61, "Наука", 19г.
21. V.Ya. Nikulin, V.M. Fadeev, E.Yu. Khautiev, V.V. Vikhrev, V.P.
Tarakanov. УSelf-Organization of High Current-Carrying Plasmas:
Dynamics of Forming of Toroidal Plasmoid in Plasma Columns and TubesФ // J. Nukleonika, vol. 46, Suppl. 1, pp. S13ЦS16, 2001.
22. И.Ф. Кварцхава, Кервалидзе К.Н., Гваладзе Ю.С., Зукакишвили Г.Г. :
Пространственно-периодические структуры плазмы, возникающие в быстрых сильноточных разрядах - Ядерный синтез, 1965, т.5, N.5, с.181-191.
23. V.A. Gribkov, V.Ya. Nikulin, O.N. Krokhin УMicrostructures of high- velocity plasma-electrode contactФ, Proc. of 18th Symposium on Plasma Physics and Technology, Prague, 1997, P. 77.
24. N.V. Kalachev, T.A. Kozlova, O.N. Krokhin, V.Ya. Nikulin УThe X-ray regime of the Filippov type plasma focus. Plasma structures at the final stageФ. Proceedings of XXIV Intern. Conf. On Phenomena in Ionized Gases, 1999, Poland.
25. V. Ya. Nukulin and S. N. Polukhin. УSaturation of the Neutron Yield from Megajoule Plasma Focus FacilitiesФ // Plasma Physics Reports, 2007, Vol.
33, No. 4, pp. 271Ц277.