Плазменный фокус. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Плазменный фокус

Плазменный фокус - нестационарный сгусток плотной высокотемпературной дейтериевой плазмы, являющийся локализов. источником нейтронов и жёстких излучений; так же называют и электроразрядную установку, в к-рой получается эта плазма. П. ф. относится к разряду пинчей (см. Пиич-эффект); образуется в области кумуляции токовой оболочки на оси газоразрядной камеры спец. конструкции, вследствие чего, в отличие от z-пинча, приобретает нецилиндрическую (обычно воронкообразную) форму. Благодаря этому удаётся резко повысить плотность энергии в плазме (эффект фокусировки) и стимулировать ряд процессов, приводящих к генерации мощных импульсов жёстких излучений [1]. В 90-е гг. термоядерный кпд П. ф. достигает 0,1% от энергии, запасённой в источнике питания (в пересчёте на дейтерий-тритиевую смесь), мощность нейтронного излучения ~10²¹ н/с, жёсткого и мягкого рентг. излучения ~10¹⁰ Дж/с и 10¹¹ Дж/с соответственно. Малые размеры излучающей области (0,01 - 3 см), относит. компактность и дешевизна конструкции делают этот источник одним из наиб. перспективных.
П. ф. был открыт Н. В. Филипповым в 1954 [2] в процессе изучения z-пинчей в плоской металлич. камере (рис. 1, слева), а затем аналогичные явления наблюдались Дж. Мейзером в 1961 [3] в коаксиальных плазменных инжекторах (рис. 1, справа). Как видно из рис., установка, с помощью к-рой наблюдается П. ф., состоит из источника импульсного питания 1 (обычно малоиндуктивыая конденсаторная батарея), ключа 2 (обычно разрядник высокого давления) и разрядной камеры, корпус к-рой 3 является катодом; от него изолятором 4 отделён внутр. электрод 5 - анод. После откачки воздуха камера заполняется рабочим газомдейтерием, водородом, дейтерий-тритиевой смесью (часто с добавками благородных газов) при давлении 0,5 - 10 мм рт. ст. либо чистыми благородными газами при давлении 10^-2 - 10^-1 мм рт. ст. Далее через газ осуществляется разряд мощной конденсаторной батареи - проводится серия т. н. тренировочных пусков установки с целью очистки камеры от посторонних примесей (удаления воздуха из электродов и изолятора); насыщения анода рабочим газом для поддержания ионной составляющей тока; напыления металлич. плёнки на изолятор для повышения его электрич. прочности; напыления на анод металлич. плёнки вперемежку с атомами газа для облегчения электрич. взрыва на его поверхности при переходе в т. н. рентг. режим (см. ниже). Во время этих пусков выход жёстких излучений не наблюдается. С ростом числа пусков появляются жёсткие излучения и каждая установка проходит три стадии, сменяющие друг друга через неск. сотен пусков: 1) режим с одним сжатием; 2) режим с двумя сжатиями; 3) рентг. режим. Физ. процессы, происходящие в зоне П. ф., сложны и многообразны, наиб, характерны для него сгребание плазмы, образовавшейся ударной волной, сжатие плазмы в центре анода, обрыв тока.

Рис. 1. Схема плазменного фокуса: слева - с плоскими электродами; справа - с цилиндрическими электродами. УВ - ударная волна; ТПО - токово-плазменная оболочка.

Режим с одним сжатием. В этом режиме после подачи напряжения на анод (~20 - 40 кВ) происходит пробой рабочего газа по поверхности изолятора, на к-рой по мере нарастания разрядного тока формируется токово-плазменная оболочка (ТПО), имеющая волокнистую структуру. Затем эта оболочка отрывается от изолятора, волокна её смыкаются и, ускоряясь до скоростей ~(2 - 3) х 10⁷ см/с и толкая перед собой ударную волну, она сгребает газ (плазму) к центру камеры. При этом форма оболочки становится воронкообразной, что приводит к частичному вытеканию плазмы вдоль оси. В результате выброса массы на ограниченном по высоте участке пинча удаётся резко повысить степень сжатия по радиусу, что увеличивает концентрацию энергии в единице объёма плазмы. При плоском сжатии плотность повышается примерно в 4 раза, в цилиндрич. камере с учётом отражения ударной волны - в 33 раза, а при вытекании вещества вдоль оси плотность повышается в 10³ раз (с учётом снижения энтропии). Размеры камеры и индуктивность внеш. цепи выбирают такими, чтобы момент макс. сжатия плазмы вблизи оси z совпал с моментом макс. значения тока. При этом ТПО так сжимается, что отношение её нач. радиуса к конечному достигает величины 10³. В момент макс. сжатия излучается небольшой импульс нейтронного и рентг. излучений. Темп-pa плазмы при этом равна ~5 х 10⁶К (0,5 кэВ). Нек-рое время (~10^-7 с) удерживается прямой ппнч (рис. 2,а), а затем на его поверхности начинает развиваться неустойчивость Ролея - Тейлора. Однако обычно в режиме с одним сжатием раньше образования неустойчивости происходит обрыв тока, сопровождающийся резким увеличением напряжения на пинче (в 10 - 100 раз) вследствие быстрого увеличения аномального сопротивления плазмы в области скин-слоя за счёт микротурбулентности. Разорвавшаяся часть пинча становится плазменным диодом, на к-ром происходит ускорение электронов к аноду и ионов к катоду до энергий ~10⁵ - 10⁶ эВ. Когда происходит обрыв тока, то скорость электронов достигает ~10⁹ см/с, вместо электрпч. тока через пинч идёт ускоренный поток электронов, к-рый самофокусируется внутри плазмы пинча. В фокальной зоне вблизи анода он испытывает аномальное поглощение, порождая мощную ударную волну, к-рая, проходя через пинч, нагревает его до температуры ~(2 - 3) х 10⁷ К (2 - 3 кэВ) и даёт мощную вспышку нейтронного излучения.

Рис. 2. Обскурограмма пинча в плазменном фокусе: а - в режиме с одним сжатием; б - в режиме с двумя сжатиями.

Режим с двумя сжатиями. По мере утолщения напылённой на анод плёнки металла с насыщенным в ней газом установка автоматически переходит в режим с двумя сжатиями. Последовательность процессов та же, однако обрыв тока происходит позже, когда неустойчивость Рэлея - Тейлора уже успела развиться. При этом в цплиндрич. камерах часто второе сжатие наблюдается в виде неск. перетяжек, тогда как в камере с плоскими электродами на заключит. стадии может образоваться снова прямой пинч той же высоты, но меньшего диаметра и большей плотности (рис. 2, б). Заключит. стадия П. ф. в этом режиме полностью идентична соответствующему процессу режима с одним сжатием. В этом режиме наблюдаются две начальные сравнительно малоинтенсивные вспышки нейтронного и рентг. излучений, а в осн. вспышке их интенсивность возрастает в неск. раз вследствие достижения более высоких плотностей тока, магн. поля и плазмы. Проникновение магн. поля в плазму начинается вблизи анода, где напылённая на его поверхность за предыдущие разряды плёнка оказывается легкораспыляемой.
В рентгеновском режиме электрич. "взрыв" поверхности проводника происходит до момента схождения ТПО к оси. Этот режим приходит на смену предыдущему, когда толщина напылённого на анод металла, насыщенного рабочим газом, достигает десятков мкм. Контрактация тока к оси П. ф. при этом происходит с более высокими скоростями (до 10⁸ см/с). Рабочий газ в основном "отжимается" от анода, так что в конце пинчевания вблизи центра этого электрода формируется короткий "1 см) пинч малого диаметра (~1 мм) с плазмой высокой плотности ~(3 - 5) х 10¹⁹ см^-3. В этом плазменном сгустке снова образуется плазменный диод (разрыв на пинче), напряжение на к-ром после резкого подъёма (<10^-8 с) до величин ок. 0,5 МэВ медленно (>10^-7 с) снижается. При этом мощный электронный поток, заменивший во втором режиме ток проводимости, сам замагничивается и замещается через нек-рое время ионным потоком. Часть ионов этого потока, имеющих ср. энергии ~20 - 200 кэВ, оказывается захваченной собств. магн. полями П. ф. (токовыми круговыми и сжатым продольным). Весьма высокая концентрация токов и полей, достигаемая в этом режиме, приводит к генерации мощных потоков заряж. частиц, а удержание ионов ср. энергии в собств. полях является причиной генерации высокоинтенсивного нейтронного излучения.
Изменение энергии питания П. ф. в диапазоне 10^-3 - 1 МДж меняет его выходные параметры. Выход нейтронов растёт с увеличением энергии как квадрат энергозапаса или четвёртая степень тока. При этом спектр нейтронного излучения не меняется; электронная темп-pa и плотность плазмы практически не зависят от энергозапаса; однако с увеличением разрядного тока примерно линейно растёт энергосодержание пучков заряж. частиц и время удержания плазмы и замаг-ниченных ионов, тогда как объём плазмы увеличивается квадратично с ростом тока.
Увеличения плотности и температуры плазмы можно достичь с помощью радиац. охлаждения, если вносить в плазму П. ф. примеси веществ с большим зарядом ядра в виде нач. добавок к рабочему газу или лазерным впрыскиванием в центр. часть. На этой основе создаются проекты осуществления в П. ф. т. н. радиац. коллапса, при к-ром планируется достичь термоядерных температур и плотностей плазмы, превышающих плотность твёрдого тела [4].
Дальнейшее увеличение плотности и температуры плазмы, энергосодержания пучков заряж. частиц и повышение нейтронного и рентг. выхода связываются также (помимо увеличения энергозапаса) с профилированием тока во времени и пространстве, с замагничиванием-частиц, с лазерным инициированием разряда и комбиниров. пучково-лазерным воздействием на плазму П. ф., а также с созданием на основе П. ф. гибридного реактора синтез - деление [5].
Установки с П. ф. могут использоваться в плазменных исследованиях как источники нейтронов и жёстких излучений для решения ряда научно-техн. задач: материаловедческих и бланкетных испытаний для управляемого термоядерного синтеза; импульсного активац. анализа короткоживущих изотопов; нейтронной терапии; накачки лазерных сред; изучения высокоионизов. ионов; взаимодействия мощных пучков с плазмой и т. д.

Литература по плазменному фокусу

Бурцев В. А., Грибков В. А., Филиппова Т. И., Высокотемпературные пинчевые образования, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы, т. 2, М., 1981;
Петров Д. П. и др., Мощный импульсный газовый разряд в камерах с проводящими стенками, в сб.: Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, т. 4, М., 1958;
Маthеr J. W., Formation of the high-density deuterium plasma focus, "Phys. Fluids", 1965, v. 8, p. 366;
Shearer J., Contraction of z-pinches actuated by radiation losses, там же, 1976, v. 19, p. 1426;
Gribкоv V., Feasibility study for developing ahybrid reactor, based on the DPP - device, "Atomkernеnergie. Kerntechnik", 1980, Bd 36, № 3, p. 167.

В. А. Грибов

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира