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 температуры ~(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 температуры 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 температур и плотностей плазмы, превышающих плотность твёрдого
тела [4].
Дальнейшее увеличение плотности и температуры
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.
В. А. Грибов