Генерация мягкого рентгеновского излучения с энергией квантов выше 1 кэВ в К-линиях вещества лайнера

Имплозия легких лайнеров является объектом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований на протяжении последних двадцати лет [1].

Обычно лайнер представляет собой полую цилиндрическую оболочку. Через оболочку пропускают импульс тока с амплитудой от сотен килоампер до десятков мегаампер. Под действием магнитного поля вещество оболочки ускоряется к оси симметрии системы. При схлопывании оболочки на оси происходит преобразование приобретенной в результате ускорения кинетической энергии во внутреннюю энергию вещества. Таким образом, на оси образуется столб плазмы (z-пинч) с плотностью электронов 1019ч-102° см" 3 и температурой от сотен до тысяч электрон-вольт. В экспериментах используются различные типы лайнеров. Оболочка может быть сформирована с помощью каскада проволочек [2,3], полой газовой струи [4], тонкой фольги [5] или специальной пены (агар-агар) [6] с различными добавками.

Интерес к исследованию лайнеров объясняется возможностью их практического применения. Z-пинч был одним из первых кандидатов для нагрева дейтерий-тритиевой смеси до условий, в которых возможно протекание реакции термоядерного синтеза. Исследование возможности решения проблемы термоядерного синтеза с применением лайнерных систем продолжается и в настоящее время (динамический холраум [7], ступенчатый z-пинч [8]). Сжатие лайнером магнитного поля используется для получения импульсных сверхсильных магнитных полей [9], плазма z-пинча может служить активной средой либо источником накачки рентгеновского лазера [10]. Одним из важных приложений имплозии лайнеров на сегодняшний день является также получение мощных импульсов рентгеновского излучения. При этом особый интерес представляет генерация излучения в К-линиях вещества лайнера с энергией квантов более 1 кэВ.

Релей-Тейлоровская неустойчивость, развивающаяся в процессе ускорения плазменной оболочки, приводит к нарушениям однородности финального плазменного столба. В ряде теоретических работ отмечалось, что развитие неустойчивости может привести к снижению эффективности генерации излучения в К-линиях особенно при имплозии лайнеров с больших начальных радиусов и при больших временах имплозии. С другой стороны было бы желательно сохранить уровень стабильности лайнера, обеспечивающий эффективную генерацию излучения в К-линиях, при больших (порядка 200−300 не) временах имплозии. Это позволило бы использовать генераторы, обеспечивающие меньшую скорость нарастания тока в нагрузке, а значит более простые в конструктивном исполнении и более дешевые, в качестве драйвера Z-пинча. Перспективным с точки зрения стабилизации процесса имплозии является применение нагрузок со структурированным профилем плотности, например двухкаскадного лайнера или лайнера в виде сплошного газового столба. В 1994 году, когда была начата данная работа, вопрос о степени влияния Релей-Тейлоровской неустойчивости на выход излучения в К-линиях и эффективности использования структурированных нагрузок для генерации излучения в К-линиях не был исследован экспериментально.

Целью настоящей работы являлось: 1) исследование влияния Релей-Тейлоровской неустойчивости на динамику сжатия и выход излучения1 в К-линиях при имплозии одиночных лайнеров- 2) исследование возможности стабилизации имплозии с использованием двухкаскадного лайнера- 3) исследование эффективности генерации излучения в К-линиях при имплозии двухкаскадного лайнера- 4) оптимизация параметров двухкаскадного лайнера для обеспечения эффективной генерации излучения в К-линиях.

1 Под выходом излучения понимается полная излученная за импульс энергия в данном спектральном диапазоне.

Положения, выносимые на защиту:

1. При сжатии с одного и того же начального радиуса лайнеры с большей массой являются более устойчивыми в отношении развития Релей-Тейлоровской неустойчивости.

2. Развитие Релей-Тейлоровской неустойчивости в процессе имплозии лайнера приводит к уменьшению выхода и мощности излучения в К-линиях вещества лайнера, причем тем сильнее, чем больше начальный радиус лайнера. При увеличении начального радиуса лайнера снижение мощности излучения в К-линиях происходит быстрее, чем снижение выхода излучения.

3. Влияние Релей-Тейлоровской неустойчивости на выход и мощность излучения в К-линиях проявляется гораздо сильнее и при меньших начальных радиусах лайнера, если выход излучения в К-линиях много меньше кинетической энергии лайнера.

4. Использование нагрузки в виде двухкаскадного лайнера позволяет улучшить стабильность имплозии и однородность финального плазменного столба, причем стабилизация становится эффективной при соотношении массы внутренней оболочки к массе внешней оболочки больше единицы, что позволяет осуществлять эффективную генерацию излучения в К-линиях при временах имплозии вплоть до 300 не.

5. При имплозии двухкаскадного лайнера основной вклад в излучение в К-линиях дает вещество внутреннего лайнера.

Научная новизна: 1) впервые экспериментально показано, что лайнеры с большей массой являются более устойчивыми в отношении развития Релей-Тейлоровской неустойчивости- 2) впервые экспериментально показано, что переход к имплозии лайнеров с большим начальным радиусом приводит к резкому снижению мощности и выхода излучения в К-линиях- 3) впервые экспериментально показано, что использование двухкаскадного лайнера позволяет получить эффективную генерацию излучения в К-линиях при временах имплозии порядка 300 не.

Апробация результатов. Результаты, представленные в диссертационной работе, были доложены автором на IV и V Международной конференции «Забабахинские научные чтения» (г.Снежинск, 1995, 1998), IV Международной конференции по плотным Z-пинчам (г.Ванкувер, Канада, 1997), 26 Международной конференции по физике плазмы (г.Монтерей, США, 1999). Результаты были также представлены на 10 и 11 Международной конференции по высокоэнергетичным пучкам (г.Сан-Диего, США, 1994; г. Прага, Чехия, 1996), 36 ежегодной конференции отделения физики плазмы Американского физического общества (г.Миннеаполис, США, 1994), 12 Международной конференции по импульсной техники (г.Монтерей, США, 1999).

Структура и объем работы. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 статьях и 8 материалах конференций.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем 107 страниц машинописного текста (шрифт «Times New Roman, 14 пт.»), 39 рисунков, 7 таблиц и 69 наименований в списке литературы.

4.4 Выводы.

Результаты экспериментов по имплозии двухкаскадных лайнеров на установках ГИТ-4 и ГИТ-12, их анализ и сравнение с результатами моделирования динамики имплозии с помощью двумерной модели снежного плуга позволяют сделать следующие выводы:

1. Использование нагрузки в виде двухкаскадного лайнера позволяет улучшить стабильность имплозии и однородность финального плазменного столба.

2. Эффективность стабилизации зависит от соотношения масс внутренней и внешней оболочки двухкаскадного лайнера. Стабилизация эффективна при соотношении масс оболочек больше единицы.

3. При имплозии двухкаскадного лайнера основной вклад в излучение в К-линиях дает вещество внутреннего лайнера.

4. Использование двухкаскадного лайнера с соотношением масс порядка единицы позволяет осуществлять эффективную генерацию излучения в К-линиях при временах имплозии порядка 300 нс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена исследованию влияния Релей-Тейлоровской неустойчивости на выход излучения в К-линиях вещества лайнера. Актуальность исследований определяется возможностью использования легких лайнеров в качестве мощных источников излучения с энергией квантов 1 кэВ и выше. Решение проблемы стабилизации имплозии лайнера и получения однородного финального плазменного столба при временах имплозии порядка 200−300 не позволяет использовать в качестве драйвера для имплозии пинча более медленные, а значит и более дешевые генераторы тока.

Экспериментальная работа проводилась на генераторах тока ГИТ-4 и ГИТ-12 на уровнях тока 1.5−1.6 МА и 2.2−2.4 МА, соответственно. Влияние Релей-Тейлоровской неустойчивости на выход излучения исследовалось в экспериментах с однокаскадными газовыми лайнерами с различными начальными радиусами. Для стабилизации имплозии и получения однородного пинча при временах имплозии порядка 200−300 не использовалась структурированная нагрузка в виде двухкаскадного лайнера. Результаты экспериментов анализировались и сравнивались с результатами численного моделирования динамики сжатия и выхода излучения в К-линиях вещества.

Наиболее существенные результаты и выводы, содержащиеся в диссертации:

1. При сжатии с одного и того же начального радиуса лайнеры с большей массой являются более устойчивыми в отношении развития Релей-Тейлоровской неустойчивости.

2. Развитие Релей-Тейлоровской неустойчивости в процессе имплозии лайнера приводит к уменьшению выхода и мощности излучения в К-линиях вещества лайнера. Снижение выхода и мощности излучения тем сильнее, чем больше начальный радиус лайнера, то есть, чем больше путь, проходимый оболочкой, и время имплозии. При увеличении начального радиуса лайнера снижение мощности излучения в К-линиях происходит быстрее, чем снижение выхода излучения.

3. Влияние Релей-Тейлоровской неустойчивости на выход и мощность излучения в К-линиях проявляется гораздо сильнее и при меньших начальных радиусах и временах имплозии лайнера, если генерация излучения осуществляется в слабом эмиссионном режиме.

4. Использование структурированной нагрузки в виде двухкаскадного лайнера позволяет улучшить стабильность имплозии и однородность финального плазменного столба.

5. Эффективность стабилизации зависит от соотношения масс внутренней и внешней оболочки двухкаскадного лайнера. Стабилизация эффективна при соотношении массы внутренней оболочки к массе внешней оболочки больше единицы.

6. При имплозии двухкаскадного лайнера основной вклад в излучение в К-линиях дает вещество внутреннего лайнера.

7. Использование двухкаскадного лайнера с соотношением масс порядка единицы позволяет осуществлять эффективную генерацию излучения в К-линиях при временах имплозии порядка 300 нс.

8. Максимальный выход излучения в К-линиях аргона, зарегистрированный в экспериментах с двухкаскадным лайнером на генераторе ГИТ-12 на уровне тока 2.2−2.3 МА при временах имплозии порядка 300 нс, составляет 740 Дж/см при мощности излучения 220 ГВт/см.

Автор выражает искреннюю благодарность Р. Б. Бакшт за научное руководство, А. В. Федюнину, А. Г. Русских и А. Ю. Лабецкому за помощь в проведении экспериментов, В. И. Орешкину за помощь в проведении численного моделирования и полезные рекомендации при обсуждении данной работы, а так же Б. М Ковальчуку и всему персоналу установок ГИТ-4 и ГИТ-12 за обеспечение бесперебойной работы установок и активную помощь во время проведения экспериментов.

Автор благодарит Институт «Открытое общество. Фонд содействия» и Министерство Науки и Технологий Российской Федерации за оказанную ему персональную финансовую поддержку.