Исследование турбулентных явлений в плазме плазменного прерывателя тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Нитишинский, Михаил Сергеевич

• Нитишинский, Михаил Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Нитишинский, Михаил Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЯ НА УСТАНОВКАХ С 7 ПЛАЗМЕННЫМ ПРЕРЫВАТЕЛЕМ ТОКА (литературный обзор)

1.1 Характеристики некоторых генераторов с ППТ

1.2 Магнито-управляемый плазменный прерыватель тока (МСРОБ)

1.3 Методы диагностики плазменных размыкателей. 27 Литература к Главе 1.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К МЕХАНИЗМУ 34 РАБОТЫ ППТ % ^

2.1 МГД-эффекты А*^«*

2.2 ЭМГ-эффекты

2.3 Стадия эрозии. 41 Литература к Главе 2.

ГЛАВА 3. ОПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЕННОГО 44 ПРЕРЫВАТЕЛЯ ТОКА НА УСТАНОВКЕ "ТАЙНА"

3.1 Экспериментальная установка

3.2 Экспериментальное исследование электрических полей по 45 штарковскому уширению спектральной линии водорода На

3.3 Сравнение результатов с расчетным профилем спектральной 48 линии

3.4 Исследование рассеяния зондирующего лазерного излучения на 52 турбулентных флуктуациях плазмы ППТ

3.4.1 Режим работы установки

3.4.2 Оптическая схема диагностики. 52 3.4.5 Результаты исследований на установке «Тайна».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование турбулентных явлений в плазме плазменного прерывателя тока»

Плазменный прерыватель тока (ППТ) (в англоязычной литературе прерыватель носит название «Plasma Opening Switch (POS)» ) представляет собой плазменную перемычку, по которой пропускается ток и импеданс которой зависит от времени. Плазма ППТ заполняет часть межэлектродного зазора вакуумной линии. После подключения к линии генератора в ней нарастает ток. Импеданс ППТ на первой стадии, именуемой стадией проводимости, мал, и энергия генератора преобразуется в магнитную энергию линии, играющую роль индуктивного накопителя. Затем импеданс ППТ резко возрастает, и ток линии переключается в нагрузку (например, электронный диод), включенную параллельно ППТ. Этот процесс носит название «размыкания».

Для «микросекундного» ППТ стадия проводимости длится 0.4 - 2.0 мкс, а размыкание происходит за 50-150 не. Сопротивление ППТ на стадии проводимости - 0.1-0.5 Ом; при размыкании сопротивление возрастает на 1-2 порядка и достигает значений от нескольких единиц до десятков Ом. Величина размыкаемых токов - до 3 МА, напряжение на ППТ - до 3.5 MB. Наиболее популярна коаксиальная геометрия ППТ и вакуумной линии, при этом плазменная перемычка имеет форму шайбы с характерным размером 10 см. Плазма ППТ создается специальными источниками плазмы, и по своим параметрам (концентрации, однородности, степени ионизации, качественному составу) сильно отличается на различных установках. Для ряда микросекундных ППТ концентрация электронов была измерена экспериментально и составила 1014 -1015 см'3.

Моментом размыкания можно управлять, варьируя начальные параметры плазмы ППТ. Был также предложен магнито-управляемый плазменный прерыватель тока, в котором резкое изменение магнитного поля в ППТ (за счет дополнительных катушек) инициирует размыкание, но практическая реализация этой технологии испытывает многочисленные трудности.

Как электротехническое устройство ППТ впервые применялся для подавления предымпульса сильноточного ускорителя с водяной формирующей линией в качестве источника питания диода [1]. Предымпульс возникал при зарядке водяной линии от генератора импульсов напряжения (ГИНа) - генератора Маркса с начальной длительностью импульса -100 не. В 1985 году Г.А.Месяцем с сотрудниками была продемонстрирована возможность применения ППТ для обострения мощности микросекундного импульса [2]. Эта работа открыла перспективу существенного упрощения схем мощных импульсных генераторов за счет замены дорогостоящих и громоздких водяных линий малогабаритными и относительно дешевыми плазменными прерывателями. Именно этим объясняется большой интерес к изучению физики и техники ППТ. В настоящее время генераторы с ППТ применяются для питания плазменных источников излучения и электронных диодов.

На сегодняшний день создан ряд моделей работы плазменного прерывателя, каждая из которых вполне корректно описывает механизм работы ППТ для того или иного диапазона параметров либо на разных временных стадиях. Параметры ППТ сильно отличаются на различных установках, и даже для одной установки параметры плазмы изменяются на порядок за время протекания тока через прерыватель. Поэтому имеет смысл рассматривать механизм работы ППТ, привлекая несколько теоретических моделей. В частности, в случае плотной плазмы происходит макроскопическое перераспределение плазмы, которое дает локальное падение концентрации, но не объясняет возрастания сопротивления ППТ. Для более редкой плазмы прерывателя происходит конвективный внос магнитного поля в плазму, существенны эффекты ЭМГ-сопротивления, аномального сопротивления плазмы и ее турбулентного нагрева. Дальнейшее понижение концентрации приводит к образованию в плазме зазора с магнитной изоляцией электронов.

В экспериментальных исследованиях прерывателей основной упор делался на измерение электротехнических параметров. Параметры же плазмы, которые меняются в размыкателе в широких пределах как во времени, так и в пространстве, известны намного хуже. Серьезным успехом следует назвать измерение концентрации электронов в ППТ, осуществленное в последние годы.

Настоящая работа выполнена по материалам исследований плазменного прерывателя тока с помощью оптических методов диагностики, которые автор проводил на установке «Тайна» в РНЦ «Курчатовский институт». Это установка с коаксиальной геометрией ППТ, отрицательной полярностью внутреннего электрода и размыкаемым током порядка 100 кА.

Проведены спектроскопические исследования штарковского уширения водородной линии На [3]. Было найдено, что на стадии проводимости ППТ линия уширяется электрическим полем низкочастотной турбулентности. Напряженность этого поля вблизи анода ППТ оценивается как 10-30 кВ/см, увеличиваясь к катоду до 50 кВ/см. Эти измерения свидетельствуют о наличии в плазме ППТ потенциальных волн, прежде всего, ионного звука, но, быть может, также и ленгмюровских волн. Ионно-звуковое аномальное сопротивление для условий эксперимента оценивается как ~1 Ом, что неплохо согласуется с измеренным на стадии проводимости сопротивлением ППТ.

Исследовано рассеяние зондирующего лазерного пучка (УАО:Ш, вторая гармоника, А,=532 нм) на турбулентных шумах плазмы прерывателя [4]. Найдено, что угловое уширение зондирующего пучка составляет 1-5x10"3. Это может быть следствием наличия в плазме ППТ чисто электронной непотенциальной моды -геликонов с амплитудой магнитных осцилляций ~10 Гс.

Установки с ППТ могут использоваться как источники электронов и рентгеновского излучения и применяться в промышленных технологиях. Для этого требуется, чтобы генератор работал в режиме повторяющихся импульсов («в частотном режиме»). Исследования, проведенные на установке РС-20 и других установках РНЦ «Курчатовский институт» [5], показали возможность работы ППТ в частотном режиме и выявили особенности такой работы.

Диссертация состоит из пяти глав. Глава 1 представляет собой литературный обзор, содержащий сведения о наиболее типичных установках с ППТ. Приводятся различные схемы прерывателей, результаты измерения токов и напряжения на ППТ, концентрации электронов. В Главе 2 излагаются существующие теоретические модели механизма ППТ. Глава 3 посвящена исследованиям ППТ на установке «Тайна». Подробно описана методика экспериментов, приведены полученные результаты, проведен расчет модельного профиля спектральной линии для комбинации доплеровского уширения и штарковского уширения низкочастотным полем. В Главе 4 по результатам экспериментов оценивается величина аномального сопротивления, определяется характер турбулентности плазмы, оценивается амплитуда магнитных осцилляций в ППТ. Проблемы создания генераторов на основе ППТ для промышленных технологий обсуждаются в Главе 5.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Анализ контура спектральной линии водорода На , наблюдаемой в плазме ППТ на стадии проводимости, свидетельствующий, что в ней присутствует поле низкочастотной турбулентности с амплитудой 10-40 кВ/см.

2. Аномальное сопротивление в плазме ППТ. Для параметров эксперимента аномальное сопротивление на стадии проводимости оценивается как 1 Ом. При изменении масштабов установок роль аномального сопротивления может оказаться существенной в сценарии ППТ.

3. Результаты экспериментальных исследований турбулентных шумов в плазме ППТ по рассеянию зондирующего лазерного пучка.

4. Новые конструктивные и схемные решения ППТ для повышения ресурса его работы в режиме повторяющихся импульсов.

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на 11th and 12th Intern. Conference on High-Power Particle Beams (Prague, 1996 and Haifa, 1998), 11th IEEE Pulsed Power Conference (Baltimore, 1997), XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и У ТС (1997), Всероссийском совещании по диагностике плазмы (С-Петербург, 1997).

Основные результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах.

ЛИТЕРАТУРА К ВВЕДЕНИЮ.

1. Mendel С. W., Jr. Goldstein S.A. II J. Appl. Phys., 1977, v.48, p. 1004-1007.

2. Ковалъчук Б. M., Месяц Г. А. И ДАН СССР, 1985, Т. 284, с. 857.

3. Долгачев Г.И., Закатов.Л.П., Калинин ЮТ. и др. // "Физика плазмы",1996, т.22, с.1017.

4. Долгачев Г.И., Закатов.Л.П., Калинин Ю.Г. и др. // "Физика плазмы",1998, т.24, с.226.

5. Долгачев Г.И., Закатов.Л.П., Нитишинский М.С. и др. // "Физика плазмы", 1998, т.24, с. 1078.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Нитишинский, Михаил Сергеевич, 1998 год

1. R.J.Commisso, P.J.Goodrich, J.M.Grossmann et al.// Phys. Fluids В 4, 2368 (1992).

2. B.V.Weber, RJ.Commisso, G.Cooperstein et al.// Proe.of 10th Intern. Conference on High-Power Particle Beams, San Diego, CA, 1994, p.8.

3. P.J.Goodrich and D.D.Hinshelwood // Proc. of 9th IEEE Pulsed Power Conference, Albuquerque, NM, June 1993, p.511.

4. B.V.Weber et al.// Proe.of 9th Intern. Conference on High-Power Particle Beams, Washington DC, 1992, p.375.

5. В. V. Weber and D.D.Hinshelwood II Rew. Sci. Instrum. 63, 5199 (1992).th

6. G.G.Peterson, J.P.Apruzese, RJ.Commisso et al.// Proe.of 11 Intern. Conference on High-Power Particle Beams, Prague, 1996, v.2, p.749.

7. P.Sincerny, S.Ashby, K.Childers et al. // Proc. of 10th IEEE Pulsed Power Conference, Albuquerque, NM, 1995, p.405.

8. J.Goyer, D. Kortbawi, KChilders et al.// Proe.of 10th Intern. Conference on HighPower Particle Beams, San Diego, CA, 1994, p.l.

9. B. Weber II International POS Workshop, April 1997, Gramat, France.

10. J.Goyer, D. Kortbawi, and P.Sincerny II IEEE Trans, on Plasma Science, 22 (3), 1994, p.242.

11. J.Goyer andD. Kortbawi II J.Appl. Physics,76 (6), 1994, p.3321.

12. A.Chuvatin, C.Roulle, B.Etlicher et al.// Proe.of 11th Intern. Conference on HighPower Particle Beams, Prague, 1996, v.2, p.1203.

13. A.Chuvatin, A.Kim II International POS Workshop, April 1997, Gramat, France.

14. A.Chuvatin, A.Kim, V.Kokshenev et al. // Proc. of 11th IEEE Pulsed Power Conference, Baltimore, MA, 1997, v.l, p.261.

15. W.Rix, A.R.Miller, J.Thompson et al.// Proe.of 9th Intern. Conference on HighPower Particle Beams, Washington DC, 1992, p.402.

16. J.Thompson, P.Coleman, C.Gilbert et al.// Proe.of 10th Intern. Conference on HighPower Particle Beams, San Diego, CA, 1994, p. 12.

17. J.Thompson II International POS Workshop, April 1997, Gramat, France.

18. C. W.Mendel, M.E.Savage, D.M.Zagar et al. // J.Appl.Phys. 71 (8), 1992, p.3731.

19. M.E.Savage, W.W.Simpson, G.W.Cooper et al.// Proe.of 9th Intern. Conference on High-Power Particle Beams, Washington DC, 1992, p.621.

20. M.E.Savage, E.R.Hong,W.W.Simpson et al.// Proe.of 10th Intern. Conference on High-Power Particle Beams, San Diego, CA, 1994, p.41.

21. M.E.Savage, W.W.Simpson, C.W.Mendel et al. // International POS Workshop, April 1997, Gramat, France.

22. M.Safary, R.Shpitalnik, B.Arad et al.// Phys.Plasmas 2(6), 1995,p.2583.

23. Л.А.Душин, О.С.Павличенко. И «Исследование плазмы с помощью лазеров», М.: Атомиздат, 1968, с. 13.