Эксπир
Регистрация / Вход

Разработка, испытание и совместное использование диагностического оборудования для исследования параметров плазменного фокуса. Исследование динамики разряда и излучения плазмофокусных систем типа Филиппова и типа Мейзера.

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.516.11.6109
Организация
ООО "Плазмофо"
Руководитель работ
Кривцов Владимир Андреевич
Продолжительность работ
2007 - 2008, 15 мес.
Бюджетные средства
1,5 млн
Внебюджетные средства
2,5 млн

Информация отсутствует

Соисполнители

Этапы проекта

1
31.07.2007 - 31.10.2007
1. Проведен анализ научно-технической литературы по методам измерений магнитных полей и рентгеновского излучения.
2. Проведены патентные исследования, составлен патентный отчет по ГОСТ 15.011-96.
3. Рассчитана конфигурация магнитного поля в межэлектродном зазоре для геометрии установки PF-1000 (ИФПЛМ, Варшава).
4. Изготовлены и откалиброваны 54 магнитных зонда для измерения магнитных полей в плазмофокусном разряде.
5. Отработана схема измерения тока на установке ПФ-3 (РНЦ «Курчатовский институт»), подготовлены вакуумные вводы, проведено более 40 рабочих импульсов в наладочных экспериментов для проверки точности калибровки магнитных зондов в сравнении с измерениями полного тока установки интегрирующим поясом Роговского.
6. Разработана и изготовлена система вакуумного ввода зондов в камеру установки PF-1000 (Варшава). На основании расчета конфигурации магнитных полей определена схема расположения магнитных зондов.
7. Разработана оптическая схема спектрографа для измерения УФ излучения на установке MAJA-PF (ИЯИ, Шверк, Польша).
8. Разработана математическая стационарная столкновительно-излучательная модель для описания формы линий гелиеподобного аргона в плотной плазме с сильными электрическими полями .
1.9. Проведена оптическая настройка спектрографа УФ-излучения в ИЯИ г.Шверк. Проведена сборка вакуумного стенда, выполнены испытания камеры спектрографа на вакуум. Проведена наладка калибровочного источника.
1.10. Выполнена отладка МГД модели для расчета и оптимизации выхода рентгеновского излучения на установке MAJA-PF (ИЯИ, Шверк).
1.11. Получены экспериментальные данные для верификации математической столкновительно-излучательной модели. Подготовлены и представлены два доклада на международной конференции «Plasma 2007» (Грайфсвальд, Германия)
Развернуть
2
01.11.2007 - 31.12.2007
Этап 2. Обобщение результатов подготовительных работ
(аннотационный)

Для достижения поставленной цели выполнено моделирование динамики разряда с помощью МГД и столкновительно-излучательных расчетных блоков, разработана 0-мерная модель динамики капиллярного разряда, проведена оптимизация геометрических параметров калибровочного источника, проведен анализ магнито-зондовых измерений, разработана схема аналогичных измерений на установке PF-1000.
В ходе выполнения работ по 2 этапу контракта получены следующие основные результаты:
1. Показано, что созданные модели (МГД и столкновительно-излучательная) удовлетворительно описывают экспериментальные результаты установки MAJA-PF, полученные как с временным разрешением (электронный пучок), так и интегрально во времени (спектры излучения и размеры плазмы).
2. Разработанная 0-мерная модель динамики капиллярного разряда включает в себя уравнения закона сохранения энергии, решенные совместно с уравнениями ионизационного баланса и уравнениями электрической цепи. В модели рассматриваются две жидкости - электроны с температурой Te и ионы с температурой Ti. В каждый момент времени имеется ион с некоторым эффективным зарядом, а потери на излучение рассчитываются приближенным способом.
3. Проведенное численное моделирование капиллярного разряда показало:
 Основной механизм нагрева плазмы в капиллярном разряде - джоулев нагрев.
 Основная компонента радиационных потерь связана с возбуждением линий, радиационные потери, связанные с тормозным излучением, ионизацией, рекомбинацией пренебрежимо малы.
 Потери тепла на стенки, обусловленные электронной теплопроводностью, намного меньше, чем радиационные потери, следовательно, стенки капилляра греются в основном излучением плазмы, а не в результате столкновений частиц плазмы со стенкой.
 Максимум электронной температуры составляет 40  45 эВ, и имеет место в момент времени t  100 нс, этот факт может быть объяснен окончанием ионизации оболочки номер 5 (электронная конфигурация атома ксенона 1s2…5s25p6).
 Плазма с температурой Te = 20 эВ и плотностью ne = 1e17 см-3 оптически непрозрачна для 135 Å как в направлении оси капиллярного разряда так и в радиальном направлении. Плазма также непрозрачна в радиальном направлении для линейчатого излучения, вносящего основной вклад в радиационные потери.
 Учет оптической плотности в радиальном направлении при расчете радиационных потерь приводит к существенному изменению динамики плазменных параметров и увеличению интенсивности свечения линий вблизи 135 Å более, чем на порядок. Для получения максимального выхода линий необходимо, чтобы плазма была оптически плотной в радиальном направлении.
 Оптическая плотность в осевом направлении уменьшает интенсивность линий на порядок.
 Расчетная форма тока разряда хорошо совпадает с экспериментально измеренной.
4. Оптимизация геометрических параметров калибровочного источника, проведенная путем численного моделирования, показала, что капилляр с параметрами: R = 1 мм, P = 2 Torr , U = 10 кВ, Lind = 1.05 H, C = 0.2 F и R = 0.5 мм, P = 0.2 Torr , U = 10 кВ, Lind = 1.05 H, C = 0.2 F является эффективным источником излучения вблизи 135А.
5. Проведен анализ результатов магнитозондовых исследований на установке типа Филиппова ПФ-3. Основным результатом этого анализа является получение экспериментальных данных о параметрах ТПО, что позволило определить как динамику профиля токовой оболочки, так и эффективность транспортировки тока к оси. Получены новые численные данные для проверки теоретических моделей движения ТПО, учитывающих в своих расчетах профили магнитного поля на различных радиусах от оси системы.
6. Проведенные измерения магнитных полей в плазме ТПО позволяют сделать следующие выводы:
 по мере ускорения токовой плазменной оболочки к оси установки возрастает скорость нарастания тока от 0.91012 А/с (на r460 мм) до 31012 А/с (на r160 мм). А на финальной стадии сжатия плазмы на ось регистрируется скорость нарастания тока 1.51013 А/с (на r20 мм). Таким образом, по сравнению с производной полного тока достигается обострение примерно в 75 раз на финальной стадии сжатия.
 наблюдается сокращение длительности фронта нарастания тока от 5.5 мкс (на r460 мм) до 1.5 мкс (на r160 мм) и вплоть до 120 нс в районе оси установки. Радиальная скорость ТПО возрастает от (1-3)106 см/с (на r460 мм) до 1107 см/с на финальной стадии разряда.
 получена оценка толщины скин-слоя на разных радиусах положения токовой оболочки при ее динамике к оси. Происходит сокращение толщины скин-слоя от (61) см (на r460 мм-r360 мм) до (31) см (внутри r160 мм). На финальной стадии сжатия у оси (внутри r20 мм) скин-слой может быть еще меньше (до 1 см).
 Оценка электронной температуры плазменной оболочки на дальних радиусах от оси системы, соответствующей значениям скин-слоя на этих радиусах, равна 5-10 эВ. Таким образом, измерения магнитных полей можно использовать как метод оценки температуры электронов плазмы на разных стадиях разряда.
 Обнаружено, что величина тока, протекающего в оболочке, существенно зависит от стадии сжатия и может составлять только часть от полного разрядного тока.
 Зарегистрировано существование шунтирующих пробоев в области изолятора в момент обострения разряда на оси (в момент «особенности»), где может протекать до 40% полного разрядного тока. В момент шунтирующих пробоев, по-видимому, образуются замкнутые токовые контура, отсоединенные от основной разрядной цепи установки. В условиях эксперимента в неоне может образовываться несколько таких замкнутых токовых контуров.
 Зондовые измерения магнитных полей в плазме позволяют оценить эффективность сгребания рабочего газа токовой оболочкой плазменного фокуса и могут являться методом ее контроля.
8. Разработана схема магнито-зондовых измерений на установке PF-1000, включающая в себя два осевых зонда для исследования контракции тока на торце анода и 4 радиальных зонда для исследования динамики токовой оболочки в межэлектродном зазоре и проведена подготовка к проведению экспериментов. Эта экспериментальная схема предусматривает также использование поясов Роговского для измерения тока в обратном токопроводе.
Работа выполнена на высоком научно-техническом уровне в полном соответствии с Техническим заданием и календарным планом. Полученные результаты будут использованы при проведении экспериментально-теоретических исследований структуры токовой оболочки и эффективности контракции тока на установке PF-1000, а также спектрального состава рентгеновского излучения установки MAJA-PF на последующих этапах выполнения контракта.

Научный руководитель, к.ф.-м.н. В.И.Крауз
Развернуть
3
01.01.2008 - 31.08.2008
Объектом исследования является разработка, испытание и совместное использование диагностического оборудования для исследования параметров плазменного фокуса, а также исследование динамики разряда плазмофокусных систем типа Филиппова и типа Мейзера.
Целью работы на данном этапе являлись экспериментально-теоретические исследования динамики токово-плазменной оболочки и излучений плазмофокусного разряда.
Для достижения поставленной цели:
- Проведены экспериментальные исследования динамики и структуры токово-плазменной оболочки магнитозондовой методикой на установке PF-1000 (Институт физики плазмы и лазерного микросинтеза, Варшава, Польша).
- Проведена юстировка и калибровка спектрографа, получены спектры калибровочного источника в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, осуществлена стыковка спектрографа с камерой установки MAJA-PF (Институт ядерных исследований, Шверк, Польша).
- Выполнено моделирование геометрических параметров рентгеновского поляриметра.
- Проведена оптическая настройка поляриметра на оптической линейке установки MAJA-PF, выполнена калибровка рентгеновского поляриметра.
- Осуществлена стыковка поляриметра с камерой MAJA-PF, проведен поляризационный анализ в рентгеновском диапазоне длин волн.
- Разработана математическая динамическая столкновительно-излучательная модель и МГД-блок, проведено сравнение с результатами эксперимента.
Полученные результаты будут использованы при разработке теоретических моделей динамики плазмофокусных разрядов и механизмов генерации излучений, а также при развитии новых и усовершенствовании известных методов диагностики плотной высокотемпературной плазмы импульсных сильноточных разрядов.
Развернуть
4
01.09.2008 - 31.10.2008
- Проведено обобщение результатов предыдущих этапов работ.
- Проведена оценка полноты решения задач и эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.
- Проведены расчеты по оптимизации существующих установок плазменного фокуса с целью увеличения интенсивностей рентгеновского излучения.
- Составлен и оформлен итоговый (заключительный) отчет.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.6 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области энергоэффективности, энергоснабжения и ядерной энергетики
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
профинансировано
Продолжительность работ
2010 - 2011, 19 мес.
Бюджетные средства
0,6 млн
Организация
НИЯУ МИФИ
профинансировано
Тема
Проведение исследований по созданию научно-технического задела технологий новых источников энергии на основе импульсных электроразрядных устройств типа плазменный фокус, быстрый вакуумный разряд, сильноточный z-пинч и лазерных установок.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Физика импульсной плотной плазмы, создаваемой магаамперным током и лазерным излучением. Электронно-ионно-плазменные технологии на установке: "Сильноточные электроразрядные установки типа плазменный фокус ПФ-400 и ПФ-4 (Установка "ТЮЛЬПАН") (рег. № 01-07)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
3 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка плазменных светооптических устройств на основе безэлектродного СВЧ-разряда с квазисолнечным спектром излучения для построения надежных энергоэффективных систем освещения.
Продолжительность работ
2012 - 2013, 19 мес.
Бюджетные средства
100 млн
Количество заявок
4
Тема
Исследование возможности получения интенсивного мягкого рентгеновского излучения на комплексе ПФМ-72 для целей рентгено- и ВУФ литографии и имитационных применений на установке: "Установка ПФМ-72 для исследования импульсной высокотемпературной плотной плазмы типа микропинч и плазменный фокус с лазерным инициированием и (или) созданием рабочего вещества (ПФМ-72) (рег. № 06-34)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
1,7 млн
Количество заявок
1
Исследование теплофизических, оптических и транспортных характеристик плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава в условиях интенсивных радиационных, электромагнитных и ударно-волновых нагрузок. Исследование физики нового класса сильноточных излучающих плазмодинамических разрядов экстремальной плотности тока и радиационно-плазмодинамических механизмов генерации, нагрева и ускорения гиперзвуковых потоков плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава. Фундаментальные исследования нелинейных радиационно-плазмодинамических эффектов взаимодействия ускоренных потоков излучающей плотной плазмы с конденсированными, газовыми и плазменными средами на установке: "Научно-исследовательский экспериментально- диагностический стенд на основе сильноточного магнито-плазмодинамического ускорителя экстремальной плотности мощности (ЛУЧ СО1) (рег. № 06-17)"
Тема
Исследование теплофизических, оптических и транспортных характеристик плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава в условиях интенсивных радиационных, электромагнитных и ударно-волновых нагрузок. Исследование физики нового класса сильноточных излучающих плазмодинамических разрядов экстремальной плотности тока и радиационно-плазмодинамических механизмов генерации, нагрева и ускорения гиперзвуковых потоков плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава. Фундаментальные исследования нелинейных радиационно-плазмодинамических эффектов взаимодействия ускоренных потоков излучающей плотной плазмы с конденсированными, газовыми и плазменными средами на установке: "Научно-исследовательский экспериментально- диагностический стенд на основе сильноточного магнито-плазмодинамического ускорителя экстремальной плотности мощности (ЛУЧ СО1) (рег. № 06-17)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
2,1 млн
Количество заявок
1