А.С. ЧЕРНЕНКО

РНЦ «Курчатовский институт», Москва
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ

ПЛАЗМЫ В ВАКУУМНОЙ ЛИНИИ С МАГНИТНОЙ

САМОИЗОЛЯЦИЕЙ НА УСТАНОВКЕ С-300 В РАМКАХ

ПРОЕКТА ИНЕРЦИАЛЬНОГО УТС
В РНЦ «Курчатовский институт» на установке С-300 проводятся экспериментальные исследования в рамках проекта инерциального УТС. Представлены результаты экспериментов по изучению работы вакуумной транспортирующей линии. Характерные параметры передающих линий соответствуют параметрам указанным в концептуальном проекте реактора на основе быстрых Z-пинчей.
Основой для представленной серии работ явился проект лабораторий «Сандия» термоядерного реактора на быстрых Z-пинчах, работающего в частотном режиме [1].

На установке С-300 (3 МА, 0,15 Ом, 100 нс) была выполнена серия экспериментов по исследованию работы отрезка магнитоизолированной вакуумной транспортирующей линии (МИВЛ) при токах с погонной плотностью до 7 МА/см и плотностями тока до 500 МА/cм². Целями экспериментов были: 1) исследование возникновения и динамики приэлектродной плазмы и её влияния на транспортировку энергии; 2) тестирование МГД кода NPINCH, описывающего поведение приэлектродной плазмы. При нагреве электрода МИВЛ протекающим током его поверхность может взрываться, в результате чего возможно формирование плазменного слоя на поверхности. Взрыв электродов в передающей линии может приводить к потере передающих свойств МИВЛ по причине перезакоротки вакуумного промежутка плазмой. Для оценки возможных последствий названных эффектов были проведены одномерные MHD расчеты взрыва электродов и последующего разлета плазменного слоя с учетом УРС для металла и плазмы и определены основные параметры плазменного слоя.

В экспериментах использовались отрезки сплошной коаксиальной линии, а также геометрия выходного устройства с обратным токопроводом в виде трех стержней диаметром 3 – 5 мм, изготовленных из вольфрама или нержавеющей стали, установленных на диаметре 15 мм, позволившая улучшить диагностические возможности. Внутренний электрод (катод), выполнялся из никелевой трубочки диаметром 0,75 мм с толщиной стенок 100мкм, из трубочек изготовленных из свинцовой или золотой фольги. Входной и выходной токи измерялись с помощью калиброванных магнитных петель и шунтов соответственно. Информация о динамике приэлектродной плазмы была получена с помощью многокадровой теневой или шлирен-фотографии плазмы на второй гармоникеYAG: Nd лазера (длина волны 532 нм, длительность импульса 0.3 нс) и с помощью кадровой электронно-оптической фотографии с наносекундным разрешением в видимой области спектра и в мягком рентгеновском излучении. Рентгеновское излучение в разных спектральных диапазонах регистрировалось ВРД с тонкими фильтрами (мягкое) и полупроводниковыми датчиками (жесткое). Редкая плазма в зазоре регистрировалась также с помощью кадрового электронно-оптического фотографирования как в видимом свете, так и в мягком рентгеновском излучении.

В данной серии экспериментов основная часть информации была получена с использованием электронно-оптической хронографии в видимой области спектра, причем для регистрации более редкой плазмы была увеличена чувствительность тракта с одновременным расширением динамического диапазона.

Характерной особенностью большинства экспериментов является практически полное (с точностью лучше 10 %) совпадение временных зависимостей выходного и входного токов по крайней мере до момента максимума последнего. Свечение катода (появление на нем плазмы) начинается на 80-100 нс от начала тока и хорошо коррелирует с результатами численного моделирования. Свечение анода запаздывает относительно катода на 10-20 нс. Наблюдаемая скорость разлета плотной, ярко светящейся плазмы 1-2*10⁶ см/с. Фронт слабосветящейся редкой плазмы движется с видимой поперечной скоростью 2.5*10⁷ см/с.

Расхождения осциллограмм, свидетельствующие о существенных токах, перемыкающих линию, соответствует зазора редкой плазмой, происходит на 400 нс от его начала.

Работа поддержана контрактами «Лаборатории «Сандия» – РНЦ «Курчатовский институт» № 346778 и 449961, а также грантом РФФИ – Росатом 05-02-08061-офи_э, грантом РФФИ 05-02-17339, и «Научная школа» НШ-2292-2003-2.
Список литературы
1. L.Olson, J.P.Quintenz, M.K.Matzen, et al. Proc. 15th Int. Conf. on High-Power Particle Beams, Saint Petersburg, Russia, July 18-23, 2004, WE-17-01. Р. 225.