ПЛА́ЗМЕННЫЙ ФО́КУС

ПЛА́ЗМЕННЫЙ ФО́КУС, плот­ное плаз­мен­ное об­ра­зо­ва­ние, воз­ни­каю­щее в ре­зуль­та­те пинч-эф­фек­та (не­ци­лин­д­рич. Z-пин­ча). Тер­мин «П. ф.» так­же ис­поль­зу­ет­ся для назв. ус­та­но­вок, в ко­то­рых по­лу­ча­ет­ся эта плаз­ма.

Фо­ку­си­ров­ка плаз­мы у по­ло­жи­тель­но­го элек­тро­да спец. кон­ст­рук­ции впер­вые бы­ла об­на­ру­же­на в сер. 1950-х гг. Н. В. Фи­лип­по­вым (Ин-т атом­ной энер­гии, ны­не Нац. ис­сле­до­ва­тель­ский центр «Кур­ча­тов­ский ин­сти­тут»). Это яв­ле­ние впо­след­ст­вии на­зва­ли П. ф. ти­па Фи­лип­по­ва (рис., а). В нач. 1960-х гг. ана­ло­гич­ный ре­зуль­тат фо­ку­си­ров­ки плаз­мы у тор­ца цен­траль­но­го элек­тро­да (ано­да) ко­ак­си­аль­но­го элек­тро­ди­на­мич. плаз­мен­но­го ус­ко­ри­те­ля в ре­жи­ме вы­со­ких дав­ле­ний был по­лу­чен не­за­ви­си­мо в США Дж. Мей­зе­ром – П. ф. ти­па Мей­зе­ра (рис., б).

Принципиальные схемы плазменного фокуса типа Филиппова (а) и типа Мейзера (б): 1 – анод; 2 – катод; 3 – изолятор; 4 – вакуумная камера; С – источник питания (конденсаторная батарея); L – внешняя индук...

Осн. раз­ли­чие в кон­ст­рук­ции ус­та­но­вок – гео­мет­ри­че­ское: разл. ас­пект­ное от­но­ше­ние дли­ны ано­да l к его диа­мет­ру d: l/d≪1 для ус­та­но­вок ти­па Фи­лип­по­ва (пло­ские элек­тро­ды) и l/d⩾1 для ус­та­но­вок ти­па Мей­зе­ра (ци­лин­д­рич. элек­тро­ды). Это две наи­бо­лее по­пу­ляр­ные мо­ди­фи­ка­ции ус­та­но­вок П. ф. Ре­же встре­ча­ют­ся ус­та­нов­ки со сфе­рич. ано­дом, раз­ра­бо­тан­ные во Все­рос. НИИ экс­пе­рим. фи­зи­ки (г. Са­ров).

Сис­те­мы ти­па П. ф. пред­став­ля­ют со­бой ин­дук­тив­ный на­ко­пи­тель энер­гии, в ко­то­ром элек­трич. энер­гия, пред­ва­ри­тель­но за­па­сён­ная в кон­ден­са­тор­ной ба­та­рее, в ре­зуль­та­те про­боя раз­ряд­но­го про­ме­жут­ка и фор­ми­ро­ва­ния то­ко­не­су­щей плаз­мен­ной обо­лоч­ки (ТПО) (ста­дия I), а так­же её дви­же­ния вдоль элек­тро­дов (ста­дия II) транс­фор­ми­ру­ет­ся в осн. в маг­нит­ную энер­гию то­ка и, кро­ме то­го, в ки­не­тич. энер­гию обо­лоч­ки и те­п­ло­вую энер­гию плаз­мы.

Ста­дия II хо­ро­шо опи­сы­ва­ет­ся мо­делью «снеж­но­го плу­га»; в со­от­вет­ст­вии с ней весь ток про­те­ка­ет по маг­нит­но­му порш­ню, на фрон­те ко­то­ро­го об­ра­зу­ет­ся удар­ная вол­на, ио­ни­зую­щая и сгре­баю­щая на­хо­дя­щий­ся пе­ред ним ней­траль­ный газ. Дву­мер­ная маг­ни­то­гид­ро­ди­на­мич. мо­дель П. ф. опи­са­на рос. учё­ны­ми В. Ф. Дья­чен­ко и В. С. Им­шен­ни­ком. Раз­ряд­ный ток рас­тёт, дос­ти­гая мак­си­му­ма за неск. мик­ро­се­кунд. Раз­ме­ры раз­ряд­но­го уст­рой­ст­ва и па­ра­мет­ры элек­трич. це­пи вы­би­ра­ют та­ки­ми, что­бы ТПО под­хо­ди­ла к оси ка­ме­ры вбли­зи мак­си­му­ма то­ка. При этом на оси про­ис­хо­дит бы­строе пин­че­ва­ние плаз­мы и её на­грев (ста­дия III). Важ­ная осо­бен­ность пин­че­ва­ния в раз­ря­дах П. ф. – не­ци­лин­д­рич­ность сжи­маю­щей­ся ТПО, фор­ма ко­то­рой име­ет вид во­рон­ки с гор­ло­ви­ной, об­ра­щён­ной к ано­ду. От сте­пе­ни не­ци­лин­д­рич­но­сти за­ви­сят вы­со­та схо­дя­щей­ся обо­лоч­ки, по­те­ри мас­сы в ре­зуль­та­те ис­те­че­ния ку­му­ля­тив­ных струй и, как ре­зуль­тат, па­ра­мет­ры са­мо­го пин­ча. В ра­бо­тах Н. В. Фи­лип­по­ва по­ка­за­но, что, из­ме­няя фор­му ано­да, осо­бен­но в при­осе­вой зо­не, мож­но эф­фек­тив­но управ­лять ре­жи­мом раз­ря­да и оп­ти­ми­зи­ро­вать раз­ряд от­но­си­тель­но разл. ви­дов из­лу­че­ния (ней­трон­ный, ион­ный, рент­ге­нов­ский ре­жи­мы). Не­смот­ря на оче­вид­ные раз­ли­чия в кон­ст­рук­ции ус­та­новок ти­па Фи­лип­по­ва и ти­па Мей­зе­ра, па­ра­мет­ры плаз­мы в ре­зуль­та­те ока­зыва­ют­ся по­хо­жи­ми: плот­ность плаз­мы ≈ 10¹⁸–10¹⁹ см^–3, темп-ра ⩽1 кэВ, вре­мя жиз­ни ≈10^–7 с, диа­метр пин­ча – от не­сколь­ких мм до 1 см, ас­пект­ное от­но­ше­ние 3–10.

В ста­дии пин­ча дос­ти­га­ет­ся плот­ность то­ка >10⁷ А/см², что при­во­дит к рас­кач­ке силь­ных то­ко­вых не­ус­той­чи­во­стей, по­яв­ле­нию ано­маль­но­го тур­бу­лент­но­го со­про­тив­ле­ния и рез­ко­му об­ры­ву то­ка. Энер­гия, за­па­сён­ная в маг­нит­ном по­ле, вкла­ды­ва­ет­ся в «на­груз­ку» – про­ис­хо­дит ано­маль­ный ра­зо­грев плаз­мы и ге­не­ра­ция разл. ви­дов из­лу­че­ния. Бла­го­да­ря про­стран­ст­вен­но-вре­мен­нóй ди­на­ми­ке то­ко­вой обо­лоч­ки про­ис­хо­дит рез­кое обо­ст­ре­ние мощ­но­сти и ска­чок на­пря­же­ния на пин­че, зна­чи­тель­но пре­вос­хо­дя­щий за­ряд­ное на­пря­же­ние. Ха­рак­тер­ное вре­мя про­цес­сов в ста­дии пин­ча – от еди­ниц до со­тен на­но­се­кунд.

Фи­зич. про­цес­сы и па­ра­мет­ры П. ф. ос­та­ют­ся по­доб­ны­ми в ши­ро­ком диа­па­зо­не энер­гии ис­точ­ни­ка пи­та­ния – от еди­ниц Дж до со­тен кДж. П. ф. яв­ля­ет­ся ин­тен­сив­ным ис­точ­ни­ком разл. из­лу­че­ний: ней­трон­но­го, рент­ге­нов­ско­го в ши­ро­ком диа­па­зо­не спек­тра (от ва­ку­ум­но­го ульт­ра­фио­ле­то­во­го до жё­ст­ко­го рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния с энер­ги­ей кван­тов в сот­ни кэВ), ин­фра­крас­но­го, мик­ро­вол­но­во­го, пуч­ков вы­со­ко­энер­гич­ных ио­нов и элек­тро­нов (при­чём энер­гия ус­ко­рен­ных час­тиц на по­ряд­ки пре­вы­ша­ет за­ряд­ное на­пря­же­ние ба­та­реи), а так­же мощ­ных плаз­мен­ных по­то­ков. При этом ин­тен­сив­ность из­лу­че­ний за­ви­сит от энер­гии раз­ря­да W. Так, для пол­но­го вы­хо­да ней­трон­но­го из­лу­че­ния Y экс­пе­ри­мен­таль­но ус­та­нов­ле­но: Y∝W². При раз­ря­де в дей­те­рии дос­тиг­нут макс. вы­ход ≈10¹² ней­тро­нов/им­пульс или ней­трон­ный по­ток ≈10¹⁹ ней­тро­нов в се­кун­ду. В дей­те­рий-три­тие­вой сме­си по­лу­чен по­ток ≈10¹³ ней­тро­нов в се­кун­ду при раз­ряд­ном то­ке 1,5 МА.

Из­лу­ча­тель­ные ха­рак­те­ри­сти­ки П. ф. оп­ре­де­ля­ют ши­ро­кий спектр его воз­мож­ных прак­тич. при­ме­не­ний: ра­диа­ци­он­ное ма­те­риа­ло­ве­де­ние и мо­ди­фи­ка­ция ма­те­риа­лов, в т. ч. на­не­се­ние на­но­по­кры­тий, ра­диац. ме­ди­ци­на и эн­зи­мо­ло­гия, об­на­ру­же­ние скры­тых объ­ек­тов, ис­пы­та­ние эле­мен­тов ра­дио­элек­трон­ной ап­па­ра­ту­ры на ра­диац. стой­кость, про­тон­ная эмис­си­он­ная то­мо­гра­фия, рент­ге­нов­ская ли­то­гра­фия, ла­бо­ра­тор­ное мо­де­ли­ро­ва­ние ас­т­ро­фи­зич. про­цес­сов и др.