ПЛА́ЗМЕННЫЙ ФО́КУС
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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).
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.