- ПЛАЗМЕННЫЙ ФОКУС
- ПЛАЗМЕННЫЙ ФОКУС
-
нестационарный сгусток плотной, высокотемпературной дейтериевой плазмы, служащий локализованным источником нейтронов и жёстких излучений. П. ф. образуется в области кумуляции токовой оболочки на оси газоразрядной камеры в случае т. н. нецилиндрич. сжатия z-пинча. При пинч-эффекте создание, нагрев и термоизоляция плазменного столба происходят за счёт текущего через плазму тока него собств. магн. поля. Попытки поднять нейтронную эмиссию z-пинча путём увеличения мощности установок оказались неудачными: попадающие в плазму со стенок камеры примесные атомы увеличивали потери на излучение, возникающие пристеночные пробои шунтировали ток через плазменный столб, а развивающиеся неустойчивости, в частности «перетяжки» (неодновременное сжатие пинча по высоте), разрушали плазменный шнур как целое.Изменения геометрии разрядной камеры, предпринятые впервые в кон. 50-х гг. в СССР, а затем в США, должны были помочь преодолеть осн. недостатки линейных пинчей. На рис. показаны схемы разрядных камер, предназначенных для получения П. ф.: а — с использованием геометрии коаксиального ускорителя (США); б — с плоской геометрией электродов (СССР). Здесь корпус камеры служит катодом (2); введённый через изолятор (3) внутренний электрод — анодом (1). Камера заполняется дейтерием, и через газ осуществляется разряд мощной конденсаторной батареи. Характерная величина тока =106 А. Оказалось, что при такой геометрии камеры токовая оболочка имеет криволинейную (нецилиндрич.) форму. Под давлением магн. поля образующаяся у изолятора токовая оболочка движется сначала наружу, к боковым стенкам каморы, и вверх, затем токовый слой приобретает форму воронки со сжимающейся к оси горловиной (перетяжкой), скользящей по поверхности анода. Сжатие перетяжки сопровождается частичным вытеканием в-ва 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. Локализованная в зоне сжатия плазма объёмом в неск. мм3 имеет плотность 1018—1020 см-3 при температуре (5—6) •107 К и времени жизни =10-7 с.
процессы, происходящие в зоне П. ф., сложны и разнообразны. Это, в частности, развитие макро- и микронеустойчивостей, генерация мощных (до 1011—1012 Вт) электронных и ионных пучков, нейтронных потоков (до 2•1012 н/имп) и эл.-магн. излучения «т радиоволн до жёсткого рентгеновского.
Установки с П. ф. могут использоваться в плазменных исследованиях, как источники нейтронов и жёстких излучений для решения ряда научно-технич. задач: материаловедч. и бланкетных испытаний для управляемого термоядерного синтеза; импульсного активационного анализа короткоживущих изотопов; нейтронной терапии; накачки лазерных сред; изучения высокоионизованных ионов; вз-ствия мощных пучков с плазмой и т. д.
Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.
- ПЛАЗМЕННЫЙ ФОКУС
-
- нестационарныйсгусток плотной высокотемпературной дейтериевой плазмы, являющийся локализов. <источником нейтронов и жёстких излучений; так же называют и электроразряднуюустановку, в к-рой получается эта плазма. П. ф. относится к разряду пинчей(см. Пиич-эффект); образуется в области кумуляции токовой оболочкина оси газоразрядной камеры спец. конструкции, вследствие чего, в отличиеот z -пинча, приобретает нецилиндрическую (обычно воронкообразную)форму. Благодаря этому удаётся резко повысить плотность энергии в плазме(эффект фокусировки) и стимулировать ряд процессов, приводящих к генерациимощных импульсов жёстких излучений [1]. В 90-е гг. термоядерный кпд П. <ф. достигает 0,1% от энергии, запасённой в источнике питания (в пересчётена 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 изрис., установка, с помощью к-рой наблюдается П. ф., состоит из источникаимпульсного 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 отделёнвнутр. электрод 5 - анод. После откачки воздуха камера заполняется рабочимгазомдейтерием, водородом, дейтерий-тритиевой смесью (часто с добавкамиблагородных газов) при давлении 0,5 - 10 мм рт. ст. либо чистыми благороднымигазами при давлении 10-2 - 10-1 мм рт. ст. Далеечерез газ осуществляется разряд мощной конденсаторной батареи - проводитсясерия т. н. тренировочных пусков установки с целью очистки камеры от постороннихпримесей (удаления воздуха из электродов и изолятора); насыщения анодарабочим газом для поддержания ионной составляющей тока; напыления металлич. <плёнки на изолятор для повышения его электрич. прочности; напыления наанод 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 числапусков 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, происходящиев зоне П. ф., сложны и многообразны, наиб, характерны для него сгребаниеплазмы, образовавшейся ударной волной, сжатие плазмы в центре анода, обрывтока.
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 послеподачи напряжения на анод (~20 - 40 кВ) происходит пробой рабочего газапо поверхности изолятора, на к-рой по мере нарастания разрядного тока формируетсятоково-плазменная оболочка (ТПО), имеющая волокнистую структуру. Затемэта оболочка отрывается от изолятора, волокна её смыкаются и, ускоряясьдо скоростей ~(2 - 3) х 107 см/с и толкая перед собой ударнуюволну, она сгребает газ (плазму) к центру камеры. При этом форма оболочкистановится воронкообразной, что приводит к частичному вытеканию плазмывдоль оси. В результате выброса массы на ограниченном по высоте участкепинча удаётся резко повысить степень сжатия по радиусу, что увеличиваетконцентрацию энергии в единице объёма плазмы. При плоском сжатии плотностьповышается примерно в 4 раза, в цилиндрич. камере с учётом отражения ударнойволны - в 33 раза, а при вытекании вещества вдоль оси плотность повышаетсяв 103 раз (с учётом снижения энтропии). Размеры камеры и индуктивностьвнеш. цепи выбирают такими, чтобы момент макс. сжатия плазмы вблизи осиz совпал с моментом макс. значения тока. При этом ТПО так сжимается, чтоотношение 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 106 К (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 неустойчивостипроисходит обрыв тока, сопровождающийся резким увеличением напряжения напинче (в 10 - 100 раз) вследствие быстрого увеличения аномального сопротивленияплазмы в области скин-слоя за счёт микротурбулентности. Разорвавшаяся частьпинча становится плазменным диодом, на к-ром происходит ускорение электроновк 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 анодаон испытывает аномальное поглощение, порождая мощную ударную волну, к-рая, <проходя через пинч, нагревает его до темп-ры ~(2 - 3) х 107 К (2 - 3 кэВ) и даёт мощную вспышку нейтронного излучения.
Рис. 2. Обскурограмма пинча в плазменномфокусе: а - в режиме с одним сжатием; б - в режиме с двумясжатиями.
Режим с двумя сжатиями. По мереутолщения напылённой на анод плёнки металла с насыщенным в ней газом установкаавтоматически переходит в режим с двумя сжатиями. Последовательность процессовта же, однако обрыв тока происходит позже, когда неустойчивость Рэлея -Тейлора уже успела развиться. При этом в цплиндрич. камерах часто второесжатие наблюдается в виде неск. перетяжек, тогда как в камере с плоскимиэлектродами на заключит. стадии может образоваться снова прямой пинч тойже высоты, но меньшего диаметра и большей плотности (рис. 2, б). Заключит. <стадия П. ф. в этом режиме полностью идентична соответствующему процессурежима с одним сжатием. В этом режиме наблюдаются две начальные сравнительномалоинтенсивные вспышки нейтронного и рентг. излучений, а в осн. вспышкеих интенсивность возрастает в неск. раз вследствие достижения более высокихплотностей тока, магн. поля и плазмы. Проникновение магн. поля в плазмуначинается вблизи анода, где напылённая на его поверхность за предыдущиеразряды плёнка оказывается легкораспыляемой.
В рентгеновском режиме электрич. "взрыв"поверхности проводника происходит до момента схождения ТПО к оси. Этотрежим приходит на смену предыдущему, когда толщина напылённого на анодметалла, насыщенного рабочим газом, достигает десятков мкм. Контрактациятока 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 пинчеваниявблизи 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 величинок. 0,5 МэВ медленно (>10-7 с) снижается. При этом мощный электронныйпоток, заменивший во втором режиме ток проводимости, сам замагничиваетсяи 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 концентрациятоков и полей, достигаемая в этом режиме, приводит к генерации мощных потоковзаряж. частиц, а удержание ионов ср. энергии в собств. полях является причинойгенерации высокоинтенсивного нейтронного излучения.
Изменение энергии питания П. ф. в диапазоне10-3 - 1 МДж меняет его выходные параметры. Выход нейтроноврастёт с увеличением энергии как квадрат энергозапаса или четвёртая степеньтока. При этом спектр нейтронного излучения не меняется; электронная темп-paи плотность плазмы практически не зависят от энергозапаса; однако с увеличениемразрядного тока примерно линейно растёт энергосодержание пучков заряж. <частиц и время удержания плазмы и замаг-ниченных ионов, тогда как объёмплазмы увеличивается квадратично с ростом тока.
Увеличения плотности и темп-ры плазмыможно достичь с помощью радиац. охлаждения, если вносить в плазму П. ф. <примеси веществ с большим зарядом ядра в виде нач. добавок к рабочему газуили лазерным впрыскиванием в центр. часть. На этой основе создаются проектыосуществления в П. ф. т. н. радиац. коллапса, при к-ром планируется достичьтермоядерных темп-р и плотностей плазмы, превышающих плотность твёрдоготела [4].
Дальнейшее увеличение плотности и темп-рыплазмы, энергосодержания пучков заряж. частиц и повышение нейтронного ирентг. выхода связываются также (помимо увеличения энергозапаса) с профилированиемтока во времени и пространстве, с замагничиванием
-частиц, <с лазерным инициированием разряда и комбиниров. пучково-лазерным воздействиемна плазму П. ф., а также с созданием на основе П. ф. гибридного реакторасинтез - деление [5].
Установки с П. ф. могут использоватьсяв плазменных исследованиях как источники нейтронов и жёстких излученийдля решения ряда научно-техн. задач: материаловедческих и бланкетных испытанийдля управляемого термоядерного синтеза; импульсного активац. анализа короткоживущихизотопов; нейтронной терапии; накачки лазерных сред; изучения высокоионизов. <ионов; взаимодействия мощных пучков с плазмой и т. д.Лит.:1) Бурцев В. А., Грибков В. <А., Филиппова Т. И., Высокотемпературные пинчевые образования, в кн.: Итогинауки и техники. Сер. Физика плазмы, т. 2, М., 1981; 2) Петров Д. П. идр., Мощный импульсный газовый разряд в камерах с проводящими стенками, <в сб.: Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, т. 4,М., 1958; 3) Мathеr J. W., Formation of the high-density deuterium plasmafocus, "Phys. Fluids", 1965, v. 8, p. 366; 4) Shearer J., Contraction ofz-pinches actuated by radiation losses, там же, 1976, v. 19, p. 1426; 5)Gribkоv V., Feasibility study for developing ahybrid reactor, based onthe DPP - device, "Atomkernеnergie. Kerntechnik", 1980, Bd 36, № 3, p.167.
В. А. Грибов.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
.
