Диагностика плотной термоядерной плазмы Д Н Литвин

Диагностика плотной термоядерной плазмы Д. Н. Литвин

Содержание Критерии зажигания термоядерных мишеней при инерциальном синтезе Типы термоядерных мишеней и режимы их сжатия Современные установки ЛТС и результаты экспериментов Инерционный термоядерный синтез на электрофизических установках Диагностика термоядерной плазмы 2

Первые испытания водородной бомбы D+T 4 He+n+17. 6 Мэ. В D+D T+P+4. 0 Мэ. В D+D 3 He+n+3. 3 Мэ. В В микровзрыве при управляемом синтезе должно выделяться 5 -100 МДж 1 -20 кг т. э. 0. 1 -2 мг DT-смеси 3

Температура т/я смеси Усредненные значения <σV> для реакций DD и DT при максвелловском распределении энергии частиц в плазме Существует оптимум температуры диапазоне Т=3 -30 кэ. В! 4

Критерий зажигания В ИТС время удержания плазмы = времени разгрузки - изотермическая скорость звука где R – радиус горячей плазмы, Условие ЕТЯ > ЕDT трансформируется в 5

Критерий зажигания Энергия нагрева DT Эта функция (синяя кривая) имеет минимум при Т = 9 кэ. В При Т 9 кэ. В R 0. 3 г/см 2 DT-топливо нужно сжимать, и чем сильнее, тем лучше. Возможности сжатия ограничиваются симметрией мишени и сжимающего устройства. При = 100 г/см 3 = 2. 5 10 DT лед ЕDT (min) 13 к. Дж Проблема драйвера: передаваемая в DT-топливо мощность должна составлять 6

Мишень прямого сжатия Максимальная передача энергии происходит при m/m 0 5, что дает 0. 05 – 0. 12 Энергия, передаваемая от оболочки к DT в момент торможения составляет 1 0. 3 Основная проблема – высокая однородность облучения При учете неустойчивости Релея-Тейлора требуемая Елаз 1 -2 МДж Н. Г. Басов, О. Н. Крохин, ЖЭТФ, 46, 171 (1964). 7

Мишени непрямого сжатия: Н. А. Попов, "АДС и ЛТС", ВАНТ, сер. Математическое моделирование физических процессов, вып. 4, 53 (1992). J. D. Lindl, "Development of the indirectdrive approach to ICF and the target physics basis for ignition and gain", Phys. Plasmas, 2, 3933 (1995). Включается преобразование энергии лазерного излучения в рентгеновское с температурой до 350 э. В. Выше симметрия, но ниже КПД передачи энергии топливу. Для зажигания требуется лазер с энергией 2 МДж. 8

Сжатие РИ Z-пинча. Установка Z, СНЛ. Ток 17 МА за время 120 нс. При времени нарастания тока ~100 нс для достижения T 2=0. 35 кэ. В требуется E 0 60 МДж или ток Im 200 MA. Для достижения T 2=0. 22 кэ. В требуется E 0 10 МДж или ток Im 80 MA. 1. S. G. Garanin, А. V. Ivanovsky, L. S. Mkhitariyan “An ICE system based on Z-pinch radiation produced by an explosive magnetic generator”. Nuclear Fusion 51 (2011) 103010. . 2 R. A. Vesey et al. “Target design for high fusion yield with the double Z-pinch- driven hohlraum, ” Physics of Plasmas 14, 056302 (2007). 9

Установки для исследований ЛТС Energy k. J NIF 1000 Nova Shiva Iskra-4 1 0, 1 UFL-2 M Iskra-6 100 10 LMJ Gekko-XII Iskra-5 Omega Дельфин Progress Iskra-3 Argus Omega-UP Luch Vulkan Asterix Chroma Mishen Kalmar 1970 1980 1990 2000 2010 2020 10

Установки для зажигания 11

В 2009 году в США была введена в эксплуатацию самая мощная в мире 192 канальная лазерная установка NIF Здание Камера взаимодействия Основные параметры установки: число каналов – 192; энергия на основной частоте – 4. 6 МДж; энергия на третьей гармонике – 1. 8 МДж 12

Установка NIF (США) Здания сборки оптических элементов Размеры - 200 85 м 2; Длина лазерного зала – 122 m; Камера взаимодействия - 10 м, вес 130 т; Height of target bay - 35 m Конденсаторная батарея Лазерный зал № 1 Комната управления Мишенный зал Транспортная система № 1 Лазерный зал № 2 Здание диагностики Камера взаимодействия Транспортная система № 2 Камера 13

Установка LMJ (срок окончания 2014) Накопитель энергии Несущие конструкции системы доставки ЛИ Камера взаимодействия 128 каналов силового усилителя 112 каналов силового усилителя Количество лазерных каналов – 240 Размер поперечного сечения лазерного пучка – 360× 360 мм 2 Рабочая длина волны лазерного излучения – 1053 нм Длина волны облучения мишени – 351 нм Выходная энергия лазера на рабочей длине волны – 4, 6 МДж Энергия лазера на мишени – 1, 8 МДж 14

Общий вид здания для размещения установки Габариты – 322, 5 67 м 2; Длина лазерного зала – 130 м; Камера взаимодействия – 10 м; Высота камерного зала – 34 м; Чистые помещения – 16 000 м 2 (40% от общей площади). Количество лазерных каналов – 192 Размер поперечного сечения лазерного пучка – 400× 400 мм 2 Рабочая длина волны лазерного излучения – 1053 нм Длина волны облучения мишени – 527 нм Выходная энергия лазера на рабочей длине волны – 4, 6 МДж Энергия лазера на мишени – 2, 8 МДж 15

Основные элементы установок Нелинейная оптика Активные элементы Адаптивная оптика Крупногабаритная оптика Импульсные лампы накачки Корпуса модулей силового усилителя Конденсаторная батарея 16

Камера взаимодействия установки NIF Материал – алюминий, Диаметр – 10 м, Толщина – 10 см, Вес – 130 т, Бетонный слой биологической защиты - 50 см. Мишенный зал имеет защитную стену от нейтронного потока толщиной 2 м. 17

Камера взаимодействия установки NIF вид снаружи и изнутри Смотровое окно Узел позиционирования мишени Коллиматор 18

Временная диаграмма лазерного выстрела 19. 7 K TASPOS Станция наполнения DT 0 Время T – 1 day 39. 0 33. 5 8. 0 4. 0 16. 0 Начало формирования слоя Готовность к обработке после выстрела Наведение и юстировка Формирование слоя Начало охлаждения TARPOS 32. 0 35. 5 36. 0 37. 5 Часы 19. 5 K DT слой сформирован Узел ввода убран Выстрел Мишень в криокамере Начало процесса загрузки в узел ввода Наведение закончено 19

Конструкция мишени на зажигание Лазерные пучки - 2 пояса (24 кластера) Капсула (CH, Be или алмаз) твердый слой DT топлива 9. 2 мм Стенка бокса (Au) Наполнение бокса – газ He (1. 3 мг/см 3) Отверстия для ввода ЛИ 20

Эксперименты на установке NIF вступили в стадию NIC Основные результаты: • В камеру введена энергия ультрафиолетового излучения 1. 875 МДж • В боксе получена температура T =300 э. В • В экспериментах по исследованию ударного сжатия различных материалов получены давления: в алмазе 27 Мбар, в углероде 100 Мбар, в железе 20 -40 Мбар • При прямом облучения мишени с DT газом в режиме взрывающейся оболочки получен нейтронный выход 4 1014 при энергии 655 к. Дж • В экспериментах с THD криогенными мишенями непрямого сжатия получен выход 7 1014 при энергии в боксе 1. 4 МДж • Получено сжатие топлива R>1 г/см 2 21

Зажигание т/я мишени Нормированный нейтронный выход Зависимость отношения экспериментального и расчетного нейтронного выхода от радиального схождения центральной капсулы на момент генерации нейтронов Изображение капсулы в нейтронном излучении NIF, =2 105 Искра-5, =2. 103 22

Дальнейшие шаги для достижения зажигания на установке NIF: 1. Оптимизация системы лазерного и рентгеновского облучения: переход к сферической геометрии. Снижение энергии сжимающего РИ на поверхности оболочки из-за уменьшения числа задействованных лазерных каналов и увеличения объема бокса. 2. Компенсация потери потока РИ на поверхности капсулы за счет перехода от золотого к урановому конвертору. 23

Схема облучения сферического и цилиндрического бокса-конвертора на УФЛ-2 М На установке УФЛ-2 М принята сферически симметричная схема облучения мишени 48 кластерами по 4 пучка В режиме прямого облучения капсулы с термоядерным горючим достигается с высокая степень однородности erms<1%. В сферическом боксе-конверторе однородность потока РИ на оболочке еще выше: erms≤ 0. 1%. 24

Основные направления исследований на мощных лазерных установках q сжатие и нагрев термоядерных мишеней в симметричных и асимметричных условиях; q изучение процессов взаимодействия с плазмой лазерного излучения интенсивностью 1011÷ 1021 Вт/см 2; q формирование и перенос поля рентгеновского излучения в полостях различной конфигурации; q изучение кинетики неравновесной ионизации; q измерение спектральных пробегов РИ в плазме, межзвездном и межгалактическом веществе; q изучение уравнений состояния веществ при давлениях 1100 Мбар; q изучение процессов развития неустойчивостей в плазме; q создание лабораторных рентгеновских лазеров и т. д. 25

Основные параметры плазменных образований. • Время жизни – от десятков пикосекунд до десятков наносекунд. • Характерный размер – от десятков микрометров до 1 см. • Температура – от единиц десятков кило электрон-вольт до • Плотность – от 10 -4 г/см 3 до 102 г/см 3. 1. С. Ю. Гуськов, В. Б. Крюченков, В. А. Лыков. Корпускулярная диагностика лазерной плазмы. Препринт ФИАН № 196, М. , 1977 г. 2. Н. Г. Басов, Ю. А. Захаренков, А. С. Шиканов и др. Диагностика плотной плазмы. М. , Наука, 1989 г. 26

Требования к методикам диагностики плазмы • Временное разрешение - 1 пс. • Пространственное разрешение - х 10 мкм. • Диапазон измерения плотности плазмы – 10 -4 102 г/см 3. • Диапазон измерения температур – 1 э. В Т 50 кэ. В. • Спектральный диапазон регистрируемых квантов - 1 э. В h 2. 107 э. В. • Спектральный диапазон регистрируемых частиц - 102 Е 3. 107 э. В. 27

Состав комплекса диагностики плазмы • методики измерения баланса энергии; • оптическая диагностика; • методики измерения параметров электронного и ионного излучения плазмы; • методики измерения параметров рентгеновского излучения плазмы; • методики измерения параметров сжатого термоядерного топлива; • системы синхронизации, питания, управления, сбора и обработки информации. 28

Методики измерения баланса энергии. Назначение - измерение энергии и направленности рассеянного мишенью излучения и потоков плазмы. диаграммы лазерного Детекторы – пирокалориметры и термопары. Выделение различных компонент энергетических потоков осуществляется с помощью фильтров. Диапазон измеряемых плотностей потоков энергии от 1 Дж/ср. Погрешность измерения 2%. 29

Оптические методы: • лазерная интерферометрия; • теневая фотография; • регистрация полуцелых гармоник лазерного излучения; • многокадровая съемка плазменных образований; • оптические методы регистрации ударных волн и т. д. 30

Результаты экспериментов по изучению ударной сжимаемости свинца Изучение уравнений состояния веществ при давлениях 1 -100 Мбар Максимальное достигнутое давление за фронтом ударной волны в алюминии составило 25 Мбар, в свинце – 71 Мбар. 31

Методики измерения параметров электронного и ионного излучения плазмы Назначение - изучение процессов взаимодействия лазерного излучения с плазмой, измерение энергии, диаграммы направленности, пространственного распределения источников и спектрального состава, кратности заряда ионов. Типы аппаратуры электронные спектрометры, цилиндры Фарадея, спектрометры Томсона, ионные фотохронографы. Спектральный диапазон электронов от 0, 01 до 10, 00 Мэ. В, ионов от 0, 01 до 5, 00 Мэ. В. Диапазон плотностей потоков энергии – от 1 к. Дж/ср. Погрешность измерения потоков не более 10%. Пространственное разрешение до 30 мкм. 32

Спектрограмма ионного излучения золотой мишени, полученная с помощью спектрометра Томсона 33

Спектрально-пространственная структура протонного излучения Электрическое поле – до 3 МВ Переменное магнитное поле 1 МГс, 100 ГГц Кравченко А. Г. , Литвин Д. Н. , Лазарчук В. П. и др. Фотохронографический регистратор ионного излучения. ПТЭ № 2, 2004. 34

Рентгеновские методики Назначение - изучение процессов, происходящих в плазме, и измерение ее параметров: • временного хода температуры и плотности плазмы, в том числе плотности сжатого ядра по Штарковскому расширению линий газа-диагноста; • однородности облучения мишени (или конвертора) во времени и пространстве; • динамики сжатия микросфер и разлета плазменной короны, симметрии сжатия топлива, размера и формы сжатого ядра; • времени существования сжатого ядра; • степени однородности рентгеновского поля и временного хода температуры излучения в боксах-конверторах; • процессов переноса рентгеновского излучения в полостях различной конфигурации, • изучение неравновесной плазмы, определение спектров рентгеновского излучения, кинетики ионизации и др. 35

Пространственное и спектральное разрешение Способы получения пространственного разрешения до 10 мкм: • щелевые камеры-обскуры, • обскуры с одним или несколькими отверстиями, • зонные пластинки, • фокусирующие кристаллы. Методы получения спектрального разрешения : • рентгеновские фильтры, • зеркала скользящего падения, • многослойные зеркала, • кристаллы, • отражающие и пропускающие дифракционные решетки. 36

Приемники рентгеновского излучения 37

Методики измерения параметров рентгеновского излучения плазмы • временное разрешение - до 6 пс, • пространственное разрешение - до 20 мкм, • спектральное разрешение / - до 103, • спектральный диапазон - 0. 1 1000 кэ. В, • диапазон регистрируемых электронных температур плазмы - от 0, 05 до 100 кэ. В. Формирование и перенос поля рентгеновского излучения в полостях различной конфигурации 38

Многокадровая регистрация в рентгеновском излучении Изучение кинетики неравновесной ионизации; 39

Методики измерения параметров сжатого термоядерного топлива Назначение - измерения характеристик мишени в момент максимального сжатия: • числа актов синтеза; • времени сжатия и скорости оболочки; • динамики протекания реакций синтеза; • ионной температуры; • плотности и параметра R термоядерного топлива; • параметра < R> оболочки капсулы; • пространственного распределения области термоядерного горения. 40

Измерения интегрального нейтронного выхода: Активация меди, In, серебра, фтора и др. Метод затянутой регистрации. Диапазон измеряемых выходов N=104 – 1020 нейтронов за импульс. Погрешность измерения 5%. 41

Измерения времени сжатия и скорости оболочки Быстрый сцинтиллятор + ФЭУ Быстрый сцинтиллятор + стрик камера Временное разрешение 100 пс Рентгеновская стрик камера (20 пс) 42

Измерения времени сжатия и скорости оболочки, контроль симметрии сжатия Рентгеновская многокадровая камера (50 пс) 43

Контроль симметрии сжатия Одно и многокадровая теневая фотография в рентгеновском излучении лазер-плазменного источника ( =20 пс, Те=30 кэ. В). Пространственное распределение области термоядерного горения. Метод полутеневого изображения на основе нейтронной обскуры. Детектор матрица сцинтилляторов кодированного широкоугольной волоконных 44

Регистрация динамики горения d. N/dt=f(t) 1. Нейтронная стрик-камера; временное разрешение 10 пс. Кравченко А. Г. , Литвин Д. Н. , Лазарчук В. П. и др. Фотохронографический регистратор нейтронного излучения. ПТЭ № 2, 2004. Стриккамера 2. Детектор -излучения (17 Мэ. В) (D(T, 5 He)γ) на эффекте Черенкова с регистрацией свечения оптическим фотохронографом. Временное разрешение 20 пс, пороговый выход -квантов N =1010, (N=1014 нейтронов/импульс). Гамма детектор NIF Газовый конвертор Черенкова 45

Измерения оптической толщины R неиспарившейся части оболочки в момент максимального сжатия 1. Теневая фотография в рентгеновском излучении лазер-плазменного источника ( =20 пс, Те=30 кэ. В). 2. Радиохимический метод (реакция активации материала оболочки или добавок, например, 28 Si(n, p)28 Al). Пороговый выход нейтронов N>108 нейтр. /имп. 46

Измерения параметра R термоядерного топлива в момент максимального сжатия: 1. Метод ядер отдачи на основе трекового детектора. Richardson M. S. , Mc. Kenty P. W. , Marshall F, J, Laser Interaction and Related Plasma Phenjmena. N. Y. ; London: 1986, v. 7. p. 421 2. Метод радиохимии на активации нейтронами ядер-маркеров (14 N(n, 2 n)13 N, 40 Ar, 79 Br(n, 2 n)78 Br). Campbell E. M. , Lane S. M. Pan Y. L. J. Appl. Phys. 1981, v. 51 #11, p. 6062 3. Измерения плотности ДТ газа по уширению линий Н и Не подобного аргона Плотность ДТ -1 г/см 3 47

Измерения параметра R термоядерного топлива в момент максимального сжатия: 4. Теневая фотография в рентгеновском излучении лазерплазменного источника ( =20 пс, Те=30 кэ. В) 5. Измерение соотношения выходов нейтронов первичных и вторичных термоядерных реакций. 1. 00 E+00 Зависимость доли вторичных D(t-реакций от ro*R дейтерия при различных электронных температурах 10. 0 кэв(без ионов) 10. 0 кэв 5. 0 кэв 2. 0 кэв 1. 00 E-01 1. 00 E-02 0. 5 кэв Ndt/Ndd 1. 00 E-03 1. 00 E-04 1. 00 E-05 1. 00 E-06 1. 00 E-04 1. 00 E-03 1. 00 E-02 ro*R (г/см^2) 1. 00 E-01 1. 00 E+00 48

Измерения ионной температуры сжатого топлива 1. Отношение выходов DT и DD нейтронов из эквимолярной DTсмеси зависит только от ионной температуры плазмы Б. Н. Козлов Атомная энергия, 12 (1962) с. 238. P. Campbell et al. The paper at the Paris conf. Of interaction of laser radiation with matter (1976). 2. Ширина спектра продуктов синтеза определяется ионной температурой Е (Тi)0. 5 , 2. 1 Активационная методика измерения спектра DT-нейтронов ( Е 177 (Тi)0. 5 ). Robert K. Smither et al. Rev. Sci. Instr. V. 56, #5, 1985, p. 1078. 49

Измерения ионной температуры сжатого топлива времяпролетным спектрометром На расстоянии L от мишени энергетический спектр нейтронов трансформируется во временной. Расширение по уровню ½ импульса за счет температуры составит 1. Дифференциальный или однонейтронный метод 2. Интегральный или многонейтронный метод М. В. Кириллов-Угрюмов, В. К. Ляпидевский, Ю. А. Михайлов и др. Препринт ФИАН № 132, М. , 1982. R. A. Lerche et al. Laser program annual report 1977. URCL-50021 -77. p. 3. 82. Установка NOVA, комплекс LANSA, 960 детекторов, каждый из которых регистрирует не более одного нейтрона. M. Cable, V. Nelson. et al. Rev. Sci. Instr. V. 63, 1992, p. 4877. 50

Типы времяпролетных нейтронных спектрометров 1. Сцинтилляционные детекторы Временное разрешение 1 нс. на базе сильноточных 2. Полупроводниковый (алмазный) детектор Временное разрешение 0. 2 нс. 3. Сцинтиллятор + оптическая стрик-камера. Временное разрешение 0. 1 нс. Кравченко А. Г. , Литвин Д. Н. , Лазарчук В. П. и др. Фотохронографический регистратор жесткого рентгеновского излучения. ПТЭ № 2, 2004. 4. Нейтронная стрик-камера; временное разрешение 30 пс. Кравченко А. Г. , Литвин Д. Н. и др. Фотохронографический регистратор нейтронного излучения. ПТЭ № 2, 2004. + ФЭУ. осциллограф. В сочетании с нейтронной обскурой при выходах N 1014 возможна регистрация пространственного профиля ионной температуры 51

Проблемы диагностического комплекса 1. Объем комплекса диагностики. В комплекс включен минимальный набор диагностик, обеспечивающий измерение требуемых параметров плазмы и изучение происходящих в ней процессов. Для исключения потерь экспериментальной информации, расширения динамического диапазона регистрации, повышения достоверности получаемой информации предусмотрен необходимый уровень дублирования. 2. Автоматизация управления, вывода и обработки информации, автоматизированный контроль и стабилизация ключевых параметров аппаратуры. 3. Синхронизация аппаратуры с точностью в 20 пс. 4. Защита от механических нагрузок (ударной волны). Энергия, выделяющаяся в мишени, будет эквивалентна 1 кг ВВ и более. 5. Электромагнитная совместимость аппаратуры с условиями установки. Эффективная полоса наводок – до 10 ГГц. 6. Защита от проникающей радиации. 52

Спасибо за внимание! 53