плазменный фокус

ПЛАЗМЕННЫЙ ФОКУС - нестационарный сгусток плотной высокотемпературной дейтериевой плазмы, являющийся локализов. источником нейтронов и жёстких излучений; так же называют и электроразрядную установку, в к-рой получается эта плазма. П. ф. относится к разряду пинчей (см. Пиич-эффект); образуется в области кумуляции токовой оболочки на оси газоразрядной камеры спец. конструкции, вследствие чего, в отличие от z-пинча, приобретает нецилиндрическую (обычно воронкообразную) форму. Благодаря этому удаётся резко повысить плотность энергии в плазме (эффект фокусировки) и стимулировать ряд процессов, приводящих к генерации мощных импульсов жёстких излучений [1]. В 90-е гг. термоядерный кпд П. ф. достигает 0,1% от энергии, запасённой в источнике питания (в пересчёте на 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 из рис., установка, с помощью к-рой наблюдается П. ф., состоит из источника импульсного 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 отделён внутр. электрод 5 - анод. После откачки воздуха камера заполняется рабочим газомдейтерием, водородом, дейтерий-тритиевой смесью (часто с добавками благородных газов) при давлении 0,5 - 10 мм рт. ст. либо чистыми благородными газами при давлении 10^-2 - 10^-1 мм рт. ст. Далее через газ осуществляется разряд мощной конденсаторной батареи - проводится серия т. н. тренировочных пусков установки с целью очистки камеры от посторонних примесей (удаления воздуха из электродов и изолятора); насыщения анода рабочим газом для поддержания ионной составляющей тока; напыления металлич. плёнки на изолятор для повышения его электрич. прочности; напыления на анод 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 числа пусков 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, происходящие в зоне П. ф., сложны и многообразны, наиб, характерны для него сгребание плазмы, образовавшейся ударной волной, сжатие плазмы в центре анода, обрыв тока.

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 после подачи напряжения на анод (~20 - 40 кВ) происходит пробой рабочего газа по поверхности изолятора, на к-рой по мере нарастания разрядного тока формируется токово-плазменная оболочка (ТПО), имеющая волокнистую структуру. Затем эта оболочка отрывается от изолятора, волокна её смыкаются и, ускоряясь до скоростей ~(2 - 3) х 10⁷ см/с и толкая перед собой ударную волну, она сгребает газ (плазму) к центру камеры. При этом форма оболочки становится воронкообразной, что приводит к частичному вытеканию плазмы 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. При плоском сжатии плотность повышается примерно в 4 раза, в цилиндрич. камере с учётом отражения ударной волны - в 33 раза, а при вытекании вещества вдоль оси плотность повышается в 10³ раз (с учётом снижения энтропии). Размеры камеры и индуктивность внеш. цепи выбирают такими, чтобы момент макс. сжатия плазмы вблизи оси z совпал с моментом макс. значения тока. При этом ТПО так сжимается, что отношение 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 10⁶К (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 неустойчивости происходит обрыв тока, сопровождающийся резким увеличением напряжения на пинче (в 10 - 100 раз) вследствие быстрого увеличения аномального сопротивления плазмы в области скин-слоя за счёт микротурбулентности. Разорвавшаяся часть пинча становится плазменным диодом, на к-ром происходит ускорение электронов к 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 анода он 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 плазменном фокусе: а - в режиме с одним сжатием; б - в режиме с двумя сжатиями.

Режим с двумя сжатиями. По мере утолщения напылённой на анод плёнки металла с насыщенным в ней газом установка автоматически переходит в режим с двумя сжатиями. Последовательность процессов та же, однако обрыв тока происходит позже, когда неустойчивость Рэлея - Тейлора уже успела развиться. При этом в цплиндрич. камерах часто второе сжатие наблюдается в виде неск. перетяжек, тогда как в камере с плоскими электродами на заключит. стадии может образоваться снова прямой пинч той же высоты, но меньшего диаметра и большей плотности (рис. 2, б). Заключит. стадия П. ф. в этом режиме полностью идентична соответствующему процессу режима с одним сжатием. В этом режиме наблюдаются две начальные сравнительно малоинтенсивные вспышки нейтронного и рентг. излучений, а в осн. вспышке их интенсивность возрастает в неск. раз вследствие достижения более высоких плотностей тока, магн. поля и плазмы. Проникновение магн. поля в плазму начинается вблизи анода, где напылённая на его поверхность за предыдущие разряды плёнка оказывается легкораспыляемой.
В рентгеновском режиме электрич. "взрыв" поверхности проводника происходит до момента схождения ТПО к оси. Этот режим приходит на смену предыдущему, когда толщина напылённого на анод металла, насыщенного рабочим газом, достигает десятков мкм. Контрактация тока 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 пинчевания вблизи 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 величин ок. 0,5 МэВ медленно (>10^-7 с) снижается. При этом мощный электронный поток, заменивший во втором режиме ток проводимости, сам замагничивается и 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 концентрация токов и полей, достигаемая в этом режиме, приводит к генерации мощных потоков заряж. частиц, а удержание ионов ср. энергии в собств. полях является причиной генерации высокоинтенсивного нейтронного излучения.
Изменение энергии питания П. ф. в диапазоне 10^-3 - 1 МДж меняет его выходные параметры. Выход нейтронов растёт с увеличением энергии как квадрат энергозапаса или четвёртая степень тока. При этом спектр нейтронного излучения не меняется; электронная темп-pa и плотность плазмы практически не зависят от энергозапаса; однако с увеличением разрядного тока примерно линейно растёт энергосодержание пучков заряж. частиц и время удержания плазмы и замаг-ниченных ионов, тогда как объём плазмы увеличивается квадратично с ростом тока.
Увеличения плотности и темп-ры плазмы можно достичь с помощью радиац. охлаждения, если вносить в плазму П. ф. примеси веществ с большим зарядом ядра в виде нач. добавок к рабочему газу или лазерным впрыскиванием в центр. часть. На этой основе создаются проекты осуществления в П. ф. т. н. радиац. коллапса, при к-ром планируется достичь термоядерных темп-р и плотностей плазмы, превышающих плотность твёрдого тела [4].
Дальнейшее увеличение плотности и темп-ры плазмы, энергосодержания пучков заряж. частиц и повышение нейтронного и рентг. выхода связываются также (помимо увеличения энергозапаса) с профилированием тока во времени и пространстве, с замагничиванием-частиц, с лазерным инициированием разряда и комбиниров. пучково-лазерным воздействием на плазму П. ф., а также с созданием на основе П. ф. гибридного реактора синтез - деление [5].
Установки с П. ф. могут использоваться в плазменных исследованиях как источники нейтронов и жёстких излучений для решения ряда научно-техн. задач: материаловедческих и бланкетных испытаний для управляемого термоядерного синтеза; импульсного активац. анализа короткоживущих изотопов; 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.: Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы, т. 2, М., 1981; 2) Петров Д. П. и др., Мощный импульсный газовый разряд в камерах с проводящими стенками, в сб.: Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, т. 4, М., 1958; 3) Маthеr J. W., Formation of the high-density deuterium plasma focus, "Phys. Fluids", 1965, v. 8, p. 366; 4) Shearer J., Contraction of z-pinches actuated by radiation losses, там же, 1976, v. 19, p. 1426; 5) Gribкоv V., Feasibility study for developing ahybrid reactor, based on the DPP - device, "Atomkernеnergie. Kerntechnik", 1980, Bd 36, № 3, p. 167.

В. А. Грибов.