CC BY
40
УДК 533.952
НАБЛЮДЕНИЕ ВОЛНЫ ИОНИЗАЦИИ И УДАРНОЙ ВОЛНЫ ПЕРЕД ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕЙ, ГЕНЕРИРУЕМОЙ В РАЗРЯДЕ ПЛАЗМЕННОГО ФОКУСА
С.Н. Полухин1, А. Е. Гурей1, А. А. Ерискин1, В. Я. Никулин1,2, Е. Н. Перегудова1, П. В. Силин1, А. М. Харрасов3
Лазерно-интерферометрическим методом на плазменном фокусе зарегистрирована ионизационная волна, бегущая перед ударной волной плазменной струи, распространяющейся в остаточном газе (азот) разряда плазменного фокуса. Измерены радиальные и аксиальные распределения электронных плотностей ударной волны и плазменной струи.
Ключевые слова: плазменная струя, плазменный фокус, диагностика интерферометрии.
Введение. Изучение широчайшего спектра процессов, протекающих в разряде плазменного фокуса, продолжается более полувека, начиная с ярких результатов по генерации нейтронов в рамках нарождавшейся с конца 50-х годов прошлого века проблемы УТС [1]. В основном этой тематике и было посвящено большое число работ на десятках установках плазменных фокусов по всему миру. Отличительной особенностью плазменного фокуса среди Z-пинчевых разрядов является сходящаяся конусообразная токовая оболочка. Считается, что ее форма является причиной образования кумулятивных плазменных струй в процессе схлопывания токовой оболочки [2].
Настоящая работа направлена на экспериментальное изучение структуры плазменной струи, генерируемой плазмофокусным разрядом, в целях изучения ее воздействия на различные материалы в прикладных задачах [3, 4]. Кроме того, привлекает внимание к таким исследованиям стремление моделировать в земных условиях астрономические процессы рождения джетов [5]. Созвучны эти исследования и попыткам обнаружить
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: snpol@lebedev.ru.
2 НИЯУ МИФИ, 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31; e-mail: vnik@lebedev.ru.
3 Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", 123182 Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, 1.
зиппер-эффект токовой оболочки плазменного фокуса, когда точка схождения конической оболочки движется непрерывно вдоль оси разряда со значительной (~108 см/с) скоростью [б]. Нельзя также не отметить близость задач этой работы с традиционными для плазменного фокуса вопросами выбора механизмов генерации нейтронов и сопутствующим осевым вытеканием плазмы из пинча [Т, 8].
Ниже между терминами "плазменная струя" и "плазменный сгусток" не делается различия. Первый термин сложился исторически, подразумевая кумулятивную природу образования [2], и как следствие (умозрительное, не подкрепленное экспериментами) его вытянутую узкую форму, простирающуюся от анода до вершины ударной волны. Второй термин на взгляд авторов точнее описывает наблюдаемую в нашем эксперименте компактную форму образования и малую длительность процесса его генерации.
Описание эксперимента. Эксперименты были выполнены на установке ПФ-4 "Тюльпан" (ФИАН), которая представляет собой электроразрядное устройство типа плазменный фокус с мейзеровской геометрией электродов. Схема эксперимента показана на рис. 1. Диаметр внутреннего электрода (анода - 2) составляет 30 мм, катод (11) -медный цилиндр диаметром 5O мм. Электроды разделены керамическим изолятором (12). В аноде конусное углубление на Т мм и диаметром 9 мм. Полная емкость батареи C = 48 мкФ, рабочее напряжение 12 кВ не менялось в течение всех серий выстрелов установки, энергия емкостного накопителя установки при зарядке ее до 12 кВ - 3.5 кДж, характерное время нарастания тока 3 мкс, максимальный ток разряда при данном напряжении - 0.3 MA. В качестве рабочего газа использовался азот при давлении около одного торра.
Плазма зондировалась излучением второй гармоники Nd:YAG лазера с энергией 0.1 Дж, длительностью импульса 5 нс, длиной волны 0.53 мкм. При образовании пинча в токе разряда регистрируется особенность в виде короткого обрыва тока. Интервал между моментом прохождения лазерного излучения через плазму и минимумом такой особенности производной тока определялся по показаниям фотодиода ФК-19 и магнитных зондов. Сигналы регистрировались осциллографом Tektronix TDS 3054C.
Измерение электронной плотности плазменных объектов осуществлялось с помощью интерферометра Маха-Цендера. Вклад ионной компоненты в показатель преломления плазмы считался незначительным из-за высокой температуры плазмы (> 10 эВ). В случае осесимметричных плазменных объектов использовалась стандартная вычислительная процедура абелевских преобразований методом ступенчатой аппроксимации [10]. Длиннофокусный объектив "Калейнар-Зб" сопрягал с уменьшением 3:1 плоскость
Рис. 1: Слева схема эксперимента. 1 - лазер, 2 - анод, 3 - объектив, 4 - фильтры, 5 - диафрагма, 6 - фотоаппарат, 7 - осциллограф, 8 - фотодиод, 9 - зеркала интерферометра, 10 - плазма, 11 - катод, 12 - изолятор, 13,14 - магнитные зонды. Справа интерферограмма разряда.
объекта (плазму) с плоскостью изображения, где стоял цифровой зеркальный фотоаппарат Canon EOS 650D. Его затвор был открыт в течение всего разряда установки. Подавление собственного излучения плазмы производилось тремя светофильтрами: ОС11, СЗС20, ЖЗС17. Пространственное разрешение оптической системы - лучше 100 мкм.
Результаты эксперимента. На рис. 1 справа представлена интерферограмма разряда, снятая через 60 ± 5 нс после "особенности". В верхней половине интерферограм-мы - куполообразная расходящаяся ударная волна, скорость ее распространения вверх в диапазоне 50-60 нс после особенности тока около 2 • 107 см/с. Скорость определяется сравнением положения вершины купола на аналогичных интерферограммах с разной задержкой относительно особенности.
Обработка интерферограмм в сечениях -1, 0, 1, 2, 3, 4 дает радиальные распределения электронной плотности, показанные на рис. 2. Как видно из графиков, электронная плотность плазмы в ударной волне достигает величины 4• 1017 см-3, после прохождения волны средняя электронная плотность порядка 2 • 1017 см-3, что в 3 раза выше начальной атомарной плотности невозмущенного рабочего газа. Из этого можно сделать вывод о 3-кратной ионизации атомов азота в этой области и температурах в десятки эВ.
В сечении видно приосевое значительное увеличение электронной плотности, что свидетельствует о существовании плазменного сгустка в этой области. Чтобы оценить
Рис. 2: Радиальные распределения электронной плотности в ударной волне и струе.
его размеры, следует учесть, что при обработке интерферограмм каждое сечение разбивалось на зоны шириной по 3 мм, сечения отстоят друг от друга на такую же величину. В других сечениях приосевого подъема плотности не наблюдалось. Таким образом, можно собрать всю имеющуюся информацию о плазменном сгустке: размеры сгустка менее l = 3 мм, его электронная плотность порядка n = 5 • 1017 см-3, кратность ионизации более Z = 3, температура - десятки эВ, скорость распространения v = 2 • 107 см/с. Можно оценить также время формирования сгустка t = l/v = 15 нс, его кинетическую энергию E = l3 • n • M • v2/2Z ~ 2 Дж, где M - атомная масса азота.
Как видно на рис. 1, интерференционные волны искривляются уже перед ударной волной, что говорит о процессах ионизации остаточного газа. Чтобы нагляднее показать этот процесс, в рамках компьютерной программы "Adobe Photoshop CS4" числовой массив интерферограммы был "сложен"' с массивом "нулевой", т.е. без плазмы, интер-ферограммой. В результате в местах искривления полос на величину половины волны зондирующего излучения образовалась размытая полоса (рис. 3), которую можно интерпретировать как волну ионизации, впервые на плазменном фокусе обнаруженной в работе [13].
В области, занятой полосой, электронная плотность рабочего газа разряда оказалась достаточна, чтобы изменить фазу зондирующей волны на 180° или полволны. В нашем случае для Л = 0.53 мкм и длины оптического пути L порядка 1 см эта плотность около 2 • 1017 см-3, что соответствует 3-кратной ионизации в этой области, и близка
Рис. 3: Волна ионизации.
кратности ионизации внутри ударной волны (см. выше). Кроме того, волна ионизации с некоторым опережением повторяет форму ударной волны. Из этих фактов можно заключить, что волна ионизации образовалась в результате прогрева газа набегающим фронтом ударной волны. В упомянутой работе [13], для дейтериевой плазмы авторами делается иное заключение о природе волны ионизации, по их мнению, она рождена релаксирующей струей дейтонов из пинча с энергией порядка 10 кэВ. Из их объяснения трудно понять, почему волна ионизации повторяет форму ударной волны.
зЗаключение. Обнаружены плазменный сгусток, порождаемые им ударная волна и волна ионизации в плазменном фокусе после развала пинча. Измерены их параметры, важные для интепретации результатов материаловедческих экспериментов.
Следует обратить внимание на короткое время формирования плазменного сгустка, сравнимое с временем развития неустойчивостей пинча ~10 нс, и меньшее на порядок по сравнению с характерным временем сжатия токовой оболочки на оси. Это ставит под сомнение влияния кумулятивных процессов сжатия конической токовой оболочки на образование плазменных струй в плазменном фокусе [2] и говорит в пользу "выдавливания плазмы из перетяжки до ее полного обрыва как из пипетки" [8], или другими словами "высокое давление плазмы в перетяжке приводит к вытеканию плазмы из перетяжки" [7].
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 16-1210351).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Л. А. Арцимович, Управляемые термоядерные реакции (М., Атомиздат, 1961.)
[2] Н. В. Филиппов, М. А. Каракин, В. И. Крауз и др., Прикладная физика, № 5, 43 (1999).
[3] Б. П. Михайлов, Л. И. Иванов, И. В. Боровицкая и др., ДАН 442(5), 614 (2012).
[4] Л. И. Иванов, И. В. Боровицкая, Г. Г. Бондаренко и др., Перспективные материалы, № 3, TT (2009).
[5] К. Н. Митрофанов, В. И. Крауз, В. В. Мялтон, Е. П. Велихов, ЖЭТФ 146, вып. 5(11), 135 (2014).
[6] V. I. Krauz, K. N. Mitrofanov, V. V. Myalton, et al., IEEE Trans. on Plasma Science 38(2), 92 (2010).
[T] В. В. Вихрев, В. Д. Королев, Физика плазмы 33(5), 39T (200T).
[S] Б. А. Трубников, УФН 167(3), 345 (199T).
[9] С. Н. Полухин, А. М. Джаманкулов, А. Е. Гурей и др., Физика плазмы 42(12), 54 (2016).
[10] Г. И. Асеев, Использование интерферометра Маха-Цендера. Учебно-методическое руководство (Изд-во Саратовского ун-та, 2005).
[11] Leopoldo Soto, Cristian Pavez, and Jose Moreno, Phys. Plasmas 21, 122T03 (2014).
[12] Я. Б. Зельдович, Теория ударных волн и введение в газодинамику (М., изд-во АН СССР, 1946).
[13] A. Bernard, A. Coudeville, A. Jolas, et al., Phys. Fluids 18(2), 1S0 (19T5).
Поступила в редакцию 3 ноября 2016 г.
