Источник питания для создания дополнительного азимутального магнитного поля на плазмафокусной установке КПФ-4 Феникс
Содержание
Введение
Глава
1.Термоядерный синтез
.1
Управляемый термоядерный синтез
.2
Трудности и перспективы
Глава
2.Плазмофокусные системы
.1
Плазменный фокус
Глава
3. Описание устройства плазмофокусной установки на примере установки КПФ-4
«Феникс»
Глава
4. Методы измерения
.1
Измерения импульсного тока: пояс Роговского с RC-интегратором
Глава
5. Магнитные зонды
.1
Элементы зондовых систем
.2
Калибровка зондов
.3
Специальные типы зондов
Глава
6. Анализ влияния на выход излучений дополнительного азимутального магнитного
поля
.1
Модулятор встречного тока (МВТ)
.2
Средства измерения
Заключение
Список
литературы
Введение
Проблема управляемого термоядерного синтеза -
одна из важнейших задач, стоящих перед человечеством.
Человеческая цивилизация не может существовать,
а тем более развиваться без энергии. Все хорошо понимают, что освоенные
источники энергии, к сожалению, могут скоро истощиться. По данным Мирового
энергетического совета, разведанных запасов углеводородного топлива на Земле
осталось на 30 лет.
Сегодня основными источниками энергии служат
нефть, газ и уголь.
По оценкам специалистов, запасы этих ископаемых
на исходе. Почти не осталось разведанных, годных к освоению месторождений нефти
и уже наши внуки могут столкнуться с очень серьезной проблемой нехватки
энергии.
Наиболее обеспеченные топливом атомные
электростанции могли бы, конечно, еще не одну сотню лет снабжать человечество
электроэнергией.
Объект исследования: Проблемы управляемого
термоядерного синтеза, плазменный фокус, электроразрядные устройства.
Предмет исследования: Источник питания для
создания дополнительного азимутального магнитного поля на плазмофокусной
установке
Исходный факт:
Ядерная энергия выделяется при распаде или
синтезе атомных ядер. Любая энергия - физическая, химическая, или ядерная -
проявляется своей способностью выполнять работу, излучать высокую температуру
или радиацию. Энергия в любой системе всегда сохраняется, но она может быть
передана другой системе или изменена по форме.
Достижению условий управляемого термоядерного
синтеза препятствуют несколько основных проблем:
Во-первых, нужно нагреть газ до очень высокой
температуры.
Во-вторых, необходимо контролировать количество
реагирующих ядер в течение достаточно долгого времени.
В-третьих, количество выделяемой энергии должно
быть больше, чем было затрачено для нагревания и ограничения плотности газа.
Следующая проблема - накопление этой энергии и
преобразование её в электричество.
Глава 1. Термоядерный синтез
1.1 Управляемый термоядерный синтез
(УТС) - процесс слияния лёгких атомных ядер,
проходящий с выделением энергии при высоких температуpax, в регулируемых
управляемых условиях. УТС пока ещё не реализован. Для осуществления реакций
синтеза реагирующие ядра должны быть сближены на расстояние порядка 10-11 см, после
чего процесс их слияния происходит с заметной вероятностью за счёт туннельного
эффекта. Для преодоления потенциального барьера сталкивающимся лёгким ядрам
должна быть сообщена энергия ~10кэВ, что соответствует температуре ~8 К. С
увеличением заряда ядер (порядкового номера Z), их кулоновское отталкивание
усиливается, и величина необходимой для реакции энергии возрастает. Эфф.
сечения (р, р)-реакций, обусловленных слабыми взаимодействиями, очень малы.
Реакции между тяжёлыми изотопами водорода (дейтерием и тритием) обусловлены
сильным взаимодействием и имеют сечение на 22-23 порядка выше. Различия в
величинах энерговыделения в реакциях синтеза не превышают одного порядка. При
слиянии ядер дейтерия и трития оно составляет 17,6 МэВ. Большая скорость этих
реакций и относительно высокое энерговыделение делают равнокомпонентную смесь
дейтерия и трития наиболее перспективной для решения проблемы УТС. Тритий
радиоактивен (период полураспада 12,5 лет), не встречается в природе.
Следовательно, для обеспечения работы термоядерного реактора, использующего в
качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность его
воспроизводства. С этой целью рабочая зона реактора может быть окружена слоем
лёгкого изотопа лития, в котором будет идти реакция.
1.2Трудности и перспективы
Исследования в области УТС сталкиваются с
большими трудностями как чисто физического, так и технического характера. К
первым относится уже упомянутая проблема устойчивости горячей плазмы,
помещённой в магнитную ловушку. Применение сильных магнитных полей специальной
конфигурации позволило подавить многие виды макроскопических неустойчивостей,
но окончательное решение вопроса пока отсутствует.
В частности, для интересной и важной системы -
токамак - остаётся так называемая проблема «большого срыва», при которой
плазменный токовый шнур сначала стягивается к оси камеры, затем ток прерывается
за несколько мс и на стенки камеры сбрасывается большая энергия. Кроме
теплового удара камера испытывает при этом и механический удар.
Серьёзную трудность представляет также
образование пучков быстрых электронов, оторванных от основного ансамбля
электронов плазмы. Эти пучки приводят к сильному возрастанию потоков тепла и
частиц поперёк поля. В сверхбыстродействующих системах также наблюдается
образование группы быстрых электронов в плазменной короне, окружающей мишень.
Эти электроны успевают преждевременно нагреть центральные зоны мишени,
препятствуя достижению необходимой степени сжатия и последующего
запрограммированного протекания ядерных реакций. Основную трудность в этих
системах - осуществление устойчивого сферически-симметричного сжатия мишеней.
Ещё одна трудность связана с проблемой примесей.
Электромагнитное излучение при используемых значениях П и Т плазмы и возможных
размерах реактора свободно покидает плазму, но для чисто водородной плазмы эти
энергетические потери, определяемые, в основном, тормозным излучением
электронов, в случае (d,l)-реакций перекрываются ядерным энерговыделением уже
при температуpax выше 4-107 К. Однако, даже малая добавка чужеродных атомов с
большим Z, которые при рассматриваемых температуpax находятся в сильно
ионизованном состоянии, приводят к возрастанию энергетических потерь выше
допустимого уровня. Требуются чрезвычайные усилия (непрерывное
совершенствование вакуумных установок, использование тугоплавких и трудно
распыляемых веществ, таких, например, как графит, вольфрам, молибден, в
качестве материала диафрагм, применение устройств для улавливания атомов
примесей и т. д.), чтобы содержание примесей в плазме оставалось ниже
допустимого уровня (<0,1%). Для инерциальных систем - предотвращение
перемешивания вещества сжимающей оболочки с термоядерным топливом на конечных
стадиях сжатия.
Следует, однако, ясно понимать, что путь от
работающего реактора до действующей электростанции очень долгий. Радиационная
активация стенок камеры реактора при работе на топливе, содержащем тритий,
исключительно велика. Даже если удастся осуществить стационарную работу
реактора в течение длительного времени, механическая стойкость первой стенки
камеры в результате радиационных повреждений вряд ли сможет превышать 5-6 лет.
Это означает необходимость периодического полного демонтажа установки и
последующей новой сборки с помощью дистанционно действующих роботов, так как
остаточная активность будет измеряться тысячами мегакюри. Глубокое подземное
захоронение огромных по размерам деталей установки также окажется неизбежным.
Красивая возможность резкого сокращения
радиоактивности работающей системы и остаточной наведённой активности может
быть достигнута при работе на топливе с изотопом 3 Не по реакции
энерговыщелачивания, образование нейтронов будет происходить только за счёт
побочных (d, d)-реакций. К сожалению, необходимый изотоп 3 Не пришлось бы
привозить с поверхности Луны, где он имеется в значит, концентрациях, тогда как
на Земле его содержание ничтожно.
Если говорить о далёких прогнозах, то вероятно,
следует искать сочетание солнечной энергетики и УТС.
Глава 2. Плазмофокусные системы
2.1 Плазменный фокус
Физические процессы, происходящие в зоне
плазменного фокуса, сложны и разнообразны. Это, в частности, развитие макро- и
микро неустойчивостей, генерация мощных (до 1011-1012 Вт) электронных и ионных
пучков, нейтронных потоков (до 2•1012 н/имп) и электромагнитного излучения от т
-радиоволн до жёсткого рентгеновского.
Установки плазменного фокуса могут
использоваться в плазменных исследованиях, как источники нейтронов и жёстких
излучений для решения ряда научно-технических задач: материаловедческих и
бланкетных испытаний для управляемого термоядерного синтеза; импульсного
активационного анализа короткоживущих изотопов; нейтронной терапии; накачки
лазерных сред; изучения высокоионизованных ионов; взаимодействия мощных пучков
с плазмой и т. д.
Плазменный фокус - нестационарный сгусток
плотной высокотемпературной дейтериевой плазмы, являющийся локализатором,
источником нейтронов и жёстких излучений; так же называют и электроразрядную
установку, в которой получается эта плазма. Плазменный фокус относится к
разряду пинчей (см. Пинч-эффект); образуется в области кумуляции токовой
оболочки на оси газоразрядной камеры специальной 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. В 90-е гг. термоядерный КПД плазменного
фокуса достигает 0,1% от энергии, запасённой в источнике питания (в пересчёте
на дейтерий-тритиевую смесь), мощность нейтронного излучения равна 1021 н/с,
жёсткого и мягкого рентгеновского излучения равна 1010 Дж/с и 1011 Дж/с
соответственно. Малые размеры излучающей области (0,01-3 см), относительная
компактность и дешевизна конструкции делают этот источник одним из наиболее
перспективных.
Основное открытие в направлении изучения
плазменного фокуса было сделано Н. В. Филипповым в 1954 в процессе изучения
z-пинчей в плоской металлической камере, а затем аналогичные явления
наблюдались Дж. Мейзером в 1961 в коаксиальных плазменных инжекторах.
Установка, с помощью которой наблюдается плазменный фокус, состоит из источника
импульсного питания (обычно мало индуктивная конденсаторная батарея), ключа
(обычно разрядник высокого давления) и разрядной камеры, корпус которой
является катодом; от него изолятором отделён внутренний электрод - анод. После
откачки воздуха камера заполняется рабочим газом дейтерием, 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 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
металлической плёнки на изолятор для повышения его электрической прочности;
напыления на анод металлической плёнки вперемежку с атомами газа для облегчения
электрического взрыва на его поверхности при переходе в рентгеновский режим.
Глава 3. Описание устройства плазмофокусной
установки на примере установки КПФ-4 «Феникс»
Установка КПФ-4 спроектирована по классической
схеме сильноточных импульсных установок с емкостным накопителем электрической
энергии. Энергокомплекс установки включает в себя: накопительную батарею с
пусковыми разрядниками и кабельной линией, коллектор, генераторы высоковольтных
поджигающих импульсов, в/в выпрямитель, электромеханическую блокировку и
короткозамыкатель, устройство осушки воздуха, предназначенное для создания
избыточного давления в разрядниках ³1 атм. и их
продувки, а также для пневмосистемы короткозамыкателя, пульт управления.
Накопительная батарея собрана на конденсаторах
ИМ-50-3 (480 шт.) по модульной схеме. Каждый модуль состоит из шести
конденсаторов и трех электродного искрового разрядника. Всего модулей - 80.
энергоемкость модуля при максимальном зарядном напряжении 50 кВ составляет 22,5
кДж, т.е. в батарее можно аккумулировать при 50 кВ 1,8 Мдж. При 37-38 кВ
энергоемкость батареи 1 Мдж.
Пусковые разрядники, рассчитанные на пропускание
токов ~100
кА, имеют герметичный корпус из оргстекла, что позволяет, изменяя избыточное
давление сухого воздуха в объеме от 0 до 2,5 атм., производить коммутацию
накопленной энергии в диапазоне начальных напряжений 30-50 кВ без изменений
искрового зазора. Запуск разрядников осуществляется в/в импульсами от
генераторов поджига (2 шт.), собранных на малоиндуктивных конденсаторах. От каждого
генератора запускается 40 разрядников. Временной разброс между срабатыванием
разрядников около 35 нс. Содержание влаги в осушенном воздухе составляет ~0,1
г/м3 (точка росы -45°С).
Конденсаторная батарея располагается на восьми
стеллажах в два яруса. С помощью кабельной линии (по 2 кабеля РК 50-17-13 с
каждого конденсатора; всего 960 кабелей) энергия подается на коллектор,
состоящий из 60-ти кабельных сборок, радиально подсоединенных к двум массивным
медным фланцам диаметром 1,5 м и толщиной 40 мм. Шины кабельных сборок, а также
фланцы коллектора изолированы друг от друга набором полиэтиленовой и лавсановой
пленок в комбинации с фторопластовым диском, к которому вакуумно и электрически
прочно крепится сменный изолятор разрядного устройства, выполненный из Al2O3.
Коллектор является составной частью стенда,
включающего в себя также другие конструктивно связанные элементы установки, -
разрядное устройство, вакуумную камеру и постамент.
состоит из двух коаксиальных электродов,
разделенных в начальной части изолятором. Наружный электрод изготовлен в виде
«беличьего колеса» из 36 медных штырей (диаметром 10мм каждый), расположенных
по окружности диаметром 300мм. Концы штырей закреплены на фланцах, с помощью
одного из которых диаметром 320мм наружный электрод подсоединяется к
токоведущим шинам коллектора. Токоведущие шины выполнены в виде подвижных
секторов, позволяющих изменять начальную индуктивность разрядного устройства.
Верхние концы штырей закреплены на медном диске-фланце толщиной 8мм,
ограничивающем длину пинча. В осевой области диска имеется отверстие диаметром
20мм.
Внутренний электрод профилированной формы
изготовлен из меди. Диаметр начальной рабочей части электрода 182мм, диаметр
торца - 166мм. Длина рабочей части электрода с изолятором 326мм, полная длина -
780мм. По всей длине электрода имеется осевой канал диаметром 80мм, закрытый
наторце медной шайбой толщиной 10мм с осевым отверстием диаметром 20мм.
Изолятор цилиндрической формы изготовлен из окиси алюминия (алунд). Наружный
диаметр изолятора - 182мм, внутренний диаметр - 154мм. Высота рабочей части
изолятора может меняться в пределах от 5 до 10мм.
Расчетные значения индуктивности разрядной
системы: до коллектора ~2 нГн, токопровод к электродам 32
нГн, вакуумная индуктивность разрядного промежутка до торца анода ~40
нГн. Вакуумная система включает в себя вакуумируемую разрядную камеру с
размещенными в ней электродами ПФ-устройства, форлинию для ее предварительной
откачки, систему напусков рабочих газов, контроля их давления. Вакуумная камера
располагается непосредственно над верхним фланцем коллектора и откачивается до
остаточного давления воздуха ~10-3Тор. Более высокой степени
откачки камер в мощных ПФ-установках не требуется.
Для обеспечения приемлемых условий регистрации
сигналов с диагностических датчиков в условиях интенсивных электромагнитных
помех используется экранированная кабина (5х7х2м3). При этом:
электропитание оборудования внутри кабины
осуществлено от одновиткового трансформатора специальной конструкции (мощность
источника питания »5 кВт);
запуск регистрирующей аппаратуры обеспечен через
оптоволоконный тракт;
кабели от датчиков проложены внутри
присоединенных к кабине металлических труб, подведенных к датчику на
минимальное расстояние.Эти и другие меры позволили проводить уверенную регистрацию
сигналов с датчиков.
Введение в действие установки КПФ-4 с разрядной
системой мейзеровского типа расширяет экспериментальную базу и диапазон
исследований мощных ПФ-разрядов, проводимыми с разрядами системами
филипповского типа.
Глава 4. Методы измерения
.1 Измерение импульсного тока: пояс Роговского с
RC-интегратором
Так как в большинстве экспериментов
по физике плазмы приходится иметь дело с быстропеременными токами большой
величины, то задачу измерения токов удобно решать, используя связанные с ними
быстроменяющиеся магнитные поля. Наиболее простой из возможных способов
заключается в помещении петли или катушки магнитного датчика вблизи измеряемого
тока. Меняющееся магнитное поле вызывает в такой катушке появление
электродвижущей силы - 
(φ - магнитный
поток, проходящий через сечение катушки). Величину потока можно получить путем
интегрирования индуцированной э.д.с. Она зависит от создающего магнитное поле
тока, и, следовательно, знание потока позволяет определить ток.
Эквивалентная схема такого датчика
магнитного поля с простой интегрирующей RC-цепочкой показана на рис. 4.1.
Уравнение такой цепи имеет вид
, (4.1.)
. (4.2.)
При t
(4.3.)
и выходное напряжение V определяется
формулой
; (4.4.)
при этом предполагается, что 
(0)=0. Для любого момента времени
поток связан с создающим его током I соотношением вида
(t)=KnI(t), (4.5.)
где n - полное число витков в
катушке датчика, а К - коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрии
катушки и распределения тока. Поэтому выражение для выходного напряжения
переходит в следующее:
. (4.6.)
Для облегчения измерений и повышения
их точности желательно, чтобы это напряжение было достаточно большим. Повышения
выходного напряжения можно достигнуть путем увеличения числа витков в катушке,
однако максимальное число витков в катушке, предназначенной для измерения токов
частоты 
, ограничено условием 
. Условие RC
t также
ограничивает увеличение выходного напряжения. Таким образом, при расчете
измерительной катушки для конкретных условий эксперимента должен быть найден
разумный компромисс между этими противоречивыми требованиями.
Ограничения, накладываемые на
величины R и C, значительно ослабляются, если интегрирование осуществляется с
помощью усилителя с отрицательной обратной связью (рис.4.2а). Эквивалентная
схема цепи с усилителем, обладающим коэффициентом усиления G, приведена на
рис.4.2б. Выходное напряжение определяется соотношением
(t) (4.7.)
которое при 
практически не зависит от G. Однако
ограничение, накладываемое на величину постоянной времени RC, значительно
смягчается и принимает вид 
t.
Постоянный коэффициент К в
соотношениях (4.5.) и (4.6.) можно точно определить только при известном
положении и распределении тока I, как например, в случае протекания его по
проводнику, включенному последовательно с плазмой. В тех случаях, когда
геометрические параметры точно не известны, для измерения токов широко
используются специальные датчики - пояса Роговского. Пояс Роговского
представляет собой, в сущности, многовитковый соленоид, свернутый в тор,
который охватывает измеряемый ток. На рис. 4.3. схематически показаны такой тор
и интегрирующая RC - ячейка. К замкнутому пути, проходящему сквозь витки
обмотки так, что каждый элемент его длины перпендикулярен плоскости витка,
внутри которого он проходит, можно применить закон Ампера. Если все n витков
распределены по тору равномерно, то (в единицах МКС)
(4.8.)
где S - эффективная длина кольцевого
соленоида (длина окружности, совпадающей с осью тора), dn - вектор,
направленный вдоль dI и имеющий величину 
магнитная проницаемость вакуума (4π·10-7 гн/м).
Если каждый виток охватывает одинаковую площадь А, то соотношение (4.8.) можно
переписать следующим образом:
, (4.9.)
где - полный магнитный поток,
сцепленный со всеми витками пояса Роговского.
В равенстве (4.9.) предполагается,
что изменение напряженности магнитного поля на площади отдельного витка
пренебрежимо мало. Если не учитывать ошибку, связанную с этим предположением
(обычно она очень мала), то, как следует из равенства (4.9.), постоянный
коэффициент К, входящий в уравнения (4.5.) и (4.6.), определяется простым соотношением
(4.10.)
и не зависит от положения и
распределения тока, проходящего через отверстие тора. Именно благодаря этому
качеству, допускающему самые различные способы расположения пояса относительно
измеряемого тока, объясняется широкое распространение поясов Роговского.
Рис. 4.1. Эквивалентная схема
датчика магнитного поля.
Рис. 4.2 а. - интегратор на усилителе
с обратной связью; б - эквивалетная схема интегратора.
Рис. 4.3. Пояс Роговского с
пассивной интегрирующей цепочкой.
Глава 5. Магнитные зонды
5.1 Элементы зондовых систем
Рис.5.1. Типичная схема магнитного
зондирования импульсных разрядов.
Наиболее простая и часто применяемая
схема зондовых измерений приведена на рис.5.1. Плазма образуется при разряде
между электродами, и ток, протекающий в газе, создает азимутальное магнитное
поле. В этом случае магнитные измерения сводятся к определению степени
«пинчевания», или самостягивания плазмы.
Магнитный датчик - обычно катушка
малых размеров, намотанная тонким проводом - помещается у закрытого конца
изоляционной защитной трубки. Ось катушки ориентируется перпендикулярно или
параллельно оси трубки, соответственно тому, какая из составляющих магнитного
поля должна измеряться. Зонд вводится в разрядную камеру через специальное
вакуумное уплотнение, которое обычно позволяет вдвигать и выдвигать зонд, а в
некоторых случаях также передвигать его вдоль системы или поворачивать вокруг
оси, что обеспечивает доступ в любую точку некоторой трехмерной области.
Так как сигнал, индуцируемый в
катушке, пропорционален 
, а для экспериментатора интересны
изменения во времени самого магнитного поля В, то обычно в измерительной цепи
предусматривается интегрирование сигнала перед его подачей на выходной
регистрирующий прибор. На рис.5.1 показана простая интегрирующая цепочка,
состоящая из Ri и Ci. Сопротивление R0 является нагрузкой линии, передающей
сигнал от зонда.
Для регистрации сигналов с зондов
почти всегда используются электронные осциллографы, так как короткие
характерные времена импульсных плазменных систем не позволяют применять
механические самописцы. В установках, аналогичных приведенной на рис.4,
разрядный ток через импульсный трансформатор создает импульс для запуска
осциллографа. Интегрированный сигнал с зонда отклоняет луч по вертикали, так
что на экране выписывается кривая B(t), характерная для данного положения зонда
в системе.
При проведении типичного
эксперимента производится последовательное фотографирование осциллограмм B(t)
для различных положений зонда. Получается семейство кривых, соответствующих
различным точкам исследуемой области. Если система имеет высокую степень
симметрии, как в случае линейного пинча, то необходимую информацию можно
получить путем перемещения зонда только по радиусу. Измеряя на осциллограммах,
соответствующих различным точкам исследуемой области, значения В для одной и
той же точки развертки, можно построить кривую B(r) и другие параметры
процесса.
.2 Калибровка зондов
Картина пространственного
распределения магнитного поля, рассматриваемая даже сама по себе, позволяет
решить ряд вопросов, связанных с удержанием, стабильностью и скоростью движения
плазмы в системе. Однако для полной реализации возможностей метода зондовая
аппаратура должна быть прокалибрована, с тем, чтобы стали известны абсолютные
значения напряженности магнитного поля, а, следовательно, и такие величины, как
давление плазмы, ее импульс и плотность тока. Комбинируя измерения магнитного и
электрического полей в плазме, можно определить истинную плотность электронов.
Как было показано для схемы рис.4.,
напряжение, поступающее на осциллограф, определяется по формуле
. (5.1.)
Помимо калибровки самого
осциллографа, для точного измерения В необходимо знать эффективную площадь
зонда А и постоянную интегратора RC. Мостовые измерения R и C не представляют
затруднений, величину же nA можно измерить несколькими способами, из которых
особенно часто применяются:
прямое измерение геометрических
размеров катушки;
наблюдение выходного сигнала при
помещении зонда в импульсное поле известной напряженности;
сравнение сигнала зонда с сигналом
от катушки известных размеров.
Оба сигнала в последнем случае
индуцируются одним и тем же магнитным полем, знания величины поля при этом не
требуется.
Второй способ имеет то преимущество,
что обеспечивает калибровку всей системы, включая и осциллограф, что делает его
более удобным. Для этого необходимо, иметь импульсное поле точно известной
величины; кроме того, длительность импульса калибровочного поля должна быть
близка к характерному времени исследуемого процесса. Если соответствующая
аппаратура отсутствует, то величины nA и RC приходится измерять по отдельности.
Если нет необходимости делать зонд слишком маленьким, то можно непосредственно
измерить размеры катушки или, что еще лучше, изготовить катушку заданных
размеров. Параметры миниатюрных зондов проще всего определять третьим способом,
которым без труда можно калибровать катушку с точностью порядка 1%.
Стандартная или эталонная катушка
может быть достаточно большой, что позволяет изготовить ее с большой точностью.
Например, ее эффективная площадь может составлять несколько см2, причем сама
катушка будет иметь один или несколько витков тонкого провода, намотанного на
цилиндрический каркас известного диаметра (~1см). Вывод концов обмотки должен
быть осуществлен так, чтобы исключить их связь с измеряемым полем. Необходимо
также учесть толщину провода (эффективный диаметр однослойной катушки равен
диаметру каркаса плюс диаметр провода). Точность изготовления эталонной катушки
должна превышать возможную точность определения амплитуды сигнала по
осциллограмме.
Рабочий зонд и эталонную катушку
можно сравнить, помещая их по очереди в импульсное (некалиброванное) или
постоянное магнитное поле. В последнем случае измерения проводятся с помощью
поворачивающейся катушки. Зонд (или эталонная катушка), подключенный к
гальванометру, помещается в область однородного магнитного поля и ориентируется
по полю. Затем зонд быстро выводится из поля. Если длительность импульса,
действующего на катушку гальванометра, значительно короче периода своих
собственных колебаний, то максимальное отклонение стрелки пропорционально
полному изменению магнитного потока в контуре и, следовательно, величине nA.
.3 Специальные типы зондов
При исследованиях импульсных
разрядов обычно применяются однокатушечные зонды. Иногда употребляются зонды и
более сложных типов.
Построение кривых B(r), дающих
пространственное распределение поля в различные моменты времени, требует, как
уже отмечалось, превосходной повторяемости процесса от импульса к импульсу.
Только при этом условии можно быть уверенным, что плазменная система в любой
фазе процесса находится в одном и том же состоянии, независимо от положения
зонда. В экспериментах, где это требование удовлетворить нельзя, приходится
регистрировать поле за один разряд одновременно во всех представляющих интерес
точках пространства, что и было осуществлено в ряде работ. Хорошим примером в
этом отношении могут служить исследования тороидального стабилизированного
пинча, выполненные Окавой и др. Зонд, состоявший из 14 отдельных катушек,
вводился в разрядную трубку вдоль малого диаметра тора. Катушки были объединены
в 7 пар, равномерно размещенных по диаметру. В каждой паре одна катушка
ориентировалась для регистрации аксиального стабилизирующего поля, а другая -
для регистрации поперечного поля тока. Таким образом, даже если положение
плазменного столба менялось от импульса к импульсу, его положение в течение
данного разряда могло быть определено достаточно надежно.
Другая модификация однокатушечного
зонда - тороидальный трансформатор тока (пояс Роговского), помещаемый
непосредственно в плазму. Если обычно для отыскания распределения тока в плазме
сначала строится распределение магнитного поля, а затем вычисляется значение
его ротора в данной точке, то проинтегрированный сигнал тороидальной катушки
даст непосредственно величину тока, протекающего через пояс. В экспериментах
Головина и др. со стабилизированным линейным пинчем для наблюдения временной
картины сжатия токового столба использовалась система из трех некомпланарных
тороидальных катушек разного диаметра, расположенных коаксиально оси разрядной
трубки. Впрочем, достаточно высокая степень симметрии, имевшая место в этом
эксперименте, вероятно, позволила бы с успехом применить и обычные зонды. Тем не
менее, полученные результаты убедительно свидетельствуют о возможностях зондов
такого типа.
Иногда полезно измерить локальные
градиенты магнитного поля непосредственно, не снимая полной картины
распределения поля. В этом случае применение зонда, чувствительного к
пространственным градиентам поля, обеспечивает обычно большую точность, чем
определение малых разностей поля В в соседних точках. В качестве датчика,
чувствительного к градиенту магнитного поля, можно использовать две идентичные
катушки с несколько смещенными осями: катушки включаются последовательно,
навстречу друг другу. Для этого проще всего намотать провод на пару каркасов
так, чтобы обмотка имела форму цифры «8». После этого необходимо убедиться, что
сигнал зонда, помещенного в однородное импульсное поле, действительно равен
нулю.
Глава 6. Анализ влияния на выход
излучений дополнительного азимутального магнитного поля
Увеличение нейтронного выхода в
плазмофокусных установках является актуальной проблемой для определения
перспектив создания нейтронного источника с большим флюенсом и источником со
смешанным ЖР и Yп излучениями для решения научных и инженерно-технических
задач. Преимуществами таких систем являются их высокая эффективность,
компактность, террористическая непривлекательность, дешевизна по сравнению с
другими импульсными источниками нейтронов.
Нейтронный скейлинг по току Yn~Iα и по
энергии Yn ~Е2. Для малых установок α=4÷5. Однако для
установок с энергозапасом Е≥1 МДж и токами I>1 МА показатель α имеет
тенденцию к снижению до α ~3 и
скейлинг по энергии стремится к насыщению. Это связано с условиями согласования
нагрузки с источником, обеспечивающими наиболее полный вынос разрядного тока в
пинч-фокус. Выполнить эти условия при работе мощных ПФ установок довольно
затруднительно. Поэтому желательно отыскать режимы работы и факторы,
позволяющие интенсифицировать процессы генерации жестких излучений при уже
достигнутых значениях токов в пинчах-фокусах.
В экспериментах с цилиндрическим
Z-пинчем, при наличии начального Hφ, было обнаружено, что
взаимодействие токово-плазменной оболочки (ТПО) с начальным азимутальным
магнитным полем от тока в стержне, размещенном на оси камеры, приводит к
значительному увеличению нейтронного выхода. Этот эффект наблюдается в случае,
когда токи в пинче и в стержне имеют разные знаки. Поэтому интересным
представляется проведение такого же эксперимента с нецилиндрическим Z-пинчем -
плазменным фокусом (ПФ) на плазмофокусной установке КПФ-4, так как динамика
процессов в конечных фазах формирования ПФ и цилиндрического Z-пинча имеют ряд
общих физических закономерностей (ударная волна, филаментация токовой оболочки
вблизи момента максимального сжатия, генерация жестких излучений после разрыва
ТПО по азимуту и т.д.). Было найдено, что важным параметром, характеризующим
нейтронный режим, является плотность протекающего по плазме тока. При
возбуждении перед плазменной оболочкой поля - 
интенсивный выход нейтронов
регистрируется лишь в случае, когда плотность тока в пинче достигает величины ≥104
А/см2, то есть в зависимости эмиссии от Gz носит пороговый характер. В
плазменном фокусе плотность разрядного тока достигает 108 А/см2.
Для исследования начального
азимутального поля Hφ проведена
эскизная проработка устройства, позволяющего пропускать токи амплитудой до 100
кА по тержню, размещенному на оси плазмофокусной установки КПФ-4, то есть в
зоне максимального сжатия токово-плазменной оболочки. Упрощенная конструктивная
схема установки приведена на рис. 6.0.
Параметры «медленной» батареи
(емкость, напряжение) выбирались из условия исключения пробоя рабочего газа
(H2, He, Ar и т.д.) в диапазоне направлений 1÷20 Тор перед
подачей на электроды разрядной системы напряжения от основной батареи.
Конструктивно «медленная» батарея с энергозапасом ~120 кДж будет выполнена из
четырех модулей, каждый из которых имеет разрядник (Р2) и индуктивность L для
развязки по току с «быстрой» батареей ПФ установки.
Рис. 6.0. Упрощенная электрическая и
конструктивная схема установки КПФ-4.
- электроды разрядной системы,
размещенные в разрядной камере (не показана), 2 - изолятор, 3 - фланцы
коллектора, 4 - изоляция коллектора, 5 - кабельная линия, 6 - стержень, С1, Р1
- конденсаторы и разрядники основной батареи ПФ, С2, Р2 - конденсаторы и
разрядники «медленной батареи», L - индуктивность. Центральный электрод - анод.
.1 Модулятор
встречного тока (МВТ)
На стадии эскизной проработки
системы формирования азимутального магнитного поля на оси плазмофокусной
системы КПФ-4 было решено скомпоновать систему из четырех модулей, которые
создают ток в нагрузке до 100 кА при длительности полупериода ~1мс. С учетом
имеющейся элементной базы проведена разработка модуля МВТ. Электрическая схема
модуля представлена на рис.6.1. Конденсаторный накопитель С на энергию 30 кДж
собран из конденсаторов К-71И 24х100мкф, 5кВ. в качестве коммутатора
используется игнитронный разрядник ИРТ-6 (25кВ, 100кА, 30Кл).
Обратный полупериод тока отсекается
«кроубарным» диодом Д. для облегчения режима его работы последовательно с Д
установлено сопротивление R=0,2 Ом из ленточного нихрома. Развязывающая
индуктивность определена исходя из параметров С (емкость) и Т (период
колебаний) и составляет Lкат=34,1 µкГ. Конструктивно она наполнена в виде
катушки из 16 витков, намотанных проводом (
) БПВЛ-100 на каркасе из оргстекла.
Размеры каркаса при плотной намотке - 
h=240 мм.
Рис. 6.1. Электрическая схема модуля
МВТ.
.2 Средства
измерения
При работе с модулями контролируется
2 параметра - зарядное напряжение и разрядный ток каждого из четырех модулей.
Зарядное напряжение измеряется резистивным делителем - верхнее плечо состоит из
сопротивления КЭВ-10-4,7 Мом, нижняя - резистор МЛТ-2200 ом. Делитель
установлен на изолированной плате, укрепленной на станине одного из модулей.
Сигнал с делителя кабелем (РК-75-2-19) подается на пульт управления, на
стрелочный прибор М-24-113491 с добавочным сопротивлением 660 Ом.
Разрядный ток измеряется с помощью
поясов Роговского. Пояс наматывается на ленту диэлектрики сечением 7х20 мм2.при
свертывании ленты в кольцо средний диаметр составляет 65 мм. Намотка производилась
проводом ПЭЛШОС, внешний диаметр 0,5 мм. При полной намотке количество витков
w=350.
Напряжение на выходе пояса V(t)=L/W
I(t)/Rc, где L-индуктивность и W-количество витков; Rc-постоянная
интегрирования, I(t) -измеряемый ток модуля. При W=350, L=110 mН, RC= получаем
чувствительность пояса I/V=33,2 кА/В.
Пояса располагаются на кабелях (без
изоляции оплетки) РК 75-24-17, подсоединенных к нагрузке. Сигнал с поясов
подается в диагностическую камеру кабелем РК 75-3-19 и поступает на
интеграторы.
Рис. 6.2.-а. Осцилограмма тока
модуля МВТ. U3=3,6 кВ, развертка 200 мкс/дел, 5 кА/дел.
На рис. 6.2. приведена осциллограмма
импульса тока первого модуля. Uз=3,5 кВ, развертка 1мс/клетку, чувствительность
пояс-интегратор 10 кА/клетку. При UзарIнагр=27,5 кА.
Рис 6.2.-б. Общий вид модуля.
плазменный фокус
импульсный ток
ЛИТЕРАТУРА
Андреещев
Е.А. и др.// Физика плазмы. 2007. Т.33. с.247.
Никулин
В.Я., Полухин С.Н.// Физика плазмы. 2007. Т.33. с.304.
Матвеев
Ю.В., Салуквадзе Р.Г.// Физика плазмы. 1983. Т.9 с. 753.
Бутов
И.Я., Матвеев Ю.В.// ЖЭТФ. 1981. Т.81. с. 560.
Филиппов
Н.В.// Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 31. с. 131.
Бурцев
В.А., Грибков В.А., Филиппова Т.И.// Сб. Итоги науки и техники. Сер. Физика
плазмы. ВИНИТИ. М. 1981. с. 81.