ТЕРМОЯДЕРНЫЕ ИССЛЕДАВАНИЯ

В ИАЭ им. И.В. КУРЧАТОВА В 1958—1962 гг.

Обзор

^[1]

М.К. Романовский

ОТ АВТОРА

В данном обзоре кратко описаны нетермоядерные исследования, проводившиеся физиками, ранее занятыми разработкой промышленного электромагнитного метода разделения изотопов. Часть этих сотрудников затем переключилась на разработку электрореактивных движителей (ЭРД), а другая часть на термоядерные исследования. Разработки ЭРД требуют отдельной публикации, а материал о термоядерных работах за период конец 1958—1961 г. изложен в данном обзоре. Работы, выполненные в этом направлении до 1958 г. (и частично в 1958 г.), вошли в первую часть сборника «Термоядерные исследования» (ТИ), куда были включены и аннотации работ, доложенных на II Всемирной конференции по мирному использованию атомной энергии (Женева, 1958 г.). Ограничение ТИ 1961 г. естественно: осенью 1961 г. состоялась Первая всемирная конференция по физике плазмы и ядерному синтезу. Решение о проведении таких конференций каждые три года было принято на Женевской конференции (1958 г.). Исследования по управляемому термоядерному синтезу в ИАЭ развернулись широко — за три года было опубликовано более 150 работ, которые описаны в обзоре.

В обзор не включены книги Л.А. Арцимовича «Управляемые термоядерные реакции» и Д.А. Франк-Каменецкого «Плазма — четвертое состояние вещества», вышедшие в 1961 г., по понятной причине: дать краткое изложение книги — задача безнадежная, а переписывать рецензии — мягко говоря, неблагодарная. Это были первые книги отечественных авторов по физике плазмы. Обе вышли повторными изданиями, несмотря на бурное развитие науки о плазме и существеннейшее различие: книга Л.А. Арцимовича — для специалистов, книга Д.А. Франк-Каменецкого — для широкого читателя. «Непосредственно книга имеет в виду инженера и техника», хотя «...не предназначена для легкого чтения», как пишет автор. Обе книги нашли своего читателя и на прилавках не задержались.

17—22 апреля 1961 г., в ИАЭ состоялась Московская конференция по управляемым термоядерным реакциям и физике плазмы. В ней приняли участие около 400 сотрудников 16 организаций, представив 123 доклада, но ряд докладов был объединен, поэтому доложили 106. ИАЭ представил 42 работы (в список литературы данного обзора они не вошли). Обзорные доклады на пленарных заседаниях сделали Л.А. Арцимович («Современное состояние проблемы управляемых термоядерных реакций»), Н.А. Явлинский («Исследование плазмы в тороидальных системах»), Е.П. Велихов («Проблемы устойчивости плазмы»), С.Ю. Лукьянов («Магнитные ловушки со встречными полями»), Я.Б. Фейнберг («Взаимодействие электронных пучков с плазмой»), С.М. Осовец («Высокочастотные методы удержания плазмы»).

С грифом «не подлежит оглашению» были изданы только пронумерованные «Тезисы докладов». Аннотировать и даже приводить заглавия в списке литературы нецелесообразно: судя по «Тезисам докладов», ряд докладов был опубликован в журналах и такие статьи аннотированы, а другие авторы, видимо, не сочли нужным публиковать конкретно доложенные материалы. Следует отметить, что обзорных докладов в «Тезисах докладов» нет, поэтому и даны их названия.

ВВЕДЕНИЕ

Уже отмечалось, что исследования по физике плазмы в Лаборатории № 2 — ЛИПАНе — ИАЭ начались с проблемы создания промышленного разделения изотопов электромагнитным методом. С 1954 г. эта работа в основном перешла на завод, но с 1951 г. начали развиваться исследования в области управляемого термоядерного синтеза. Постепенно все большее число сотрудников переключалось на эту тематику, другие перешли на разработку ускорителей и элементов для них. По существу, в 1954—1955 гг. произошла переориентация секторов Отдела электроаппаратуры (ОАЭ) (в Бюро электроаппаратуры (БЭП) все занимались вопросами термоядерного синтеза), а оставшиеся в собственно ОЭА постепенно меняли направление работы.

Повышенное внимание уделяли «стабилизированному пучку», предложенному Г.И. Будкером в 1952 г. Был создан С-36 во главе с автором идеи, но отчетов об экспериментальных работах в ИАЭ не сохранилось. Так, о сооруженном в 1959 г. безжелезном синхротроне Б-2С первое сообщение было дано в докладе Г.И. Будкера и др. [1] в 1962 г., а о построенном еще в 1955 г. первом безжелезном бетатроне Б-2 очень краткие сведения в СССР опубликованы лишь в 1982 г. со ссылкой на то, что принцип действия и основные параметры изложены в [2] (работа [1]), а также в докладе на конференции в 1956 г. [3]. Экспериментальных результатов в нем практически нет. Однако на основании полученных на Б-2 результатов был спроектирован, построен и запущен в 1961 г. в ИАЭ бетатрон Б-3, в 1962 г. перевезенный в Новосибирск. Это работы не по физике плазмы, а по сильноточным ускорителям, описание установок и результаты экспериментов изложены в работе [2] (там же есть соответствующая библиография).

В С-38 (Г.Я. Щепкин) разрабатывали масс-спектрометр с очень высоким разрешением, моделировали линейный ускоритель протонов на ионах Bi.

В 1953 г. было окончено сооружение электромагнитной разделительной установки для тяжелых элементов. Большая работа по расчету, сооружению и наладке этой установки была выполнена В.В. Жуковым и стала темой его кандидатской диссертации [4]. В работе хорошо изложены особенности системы, позволившие существенно улучшить качество разделения. В частности, был предложен Г.Я. Щепкиным и впервые применен ионный источник для разделения малых количеств вещества. Источник имеет одну разрядную камеру, но два тигля (испарителя), пар из которых одновременно поступает в камеру. Один тигель — с исследуемым веществом, второй — с балластным, подаваемым в большом количестве и, по существу, определяющим режим горения разряда. Такая схема позволяет вводить в рабочий режим всю установку без расхода исследуемого (нередко уникального) вещества, а при больших количествах исследуемого вещества просто не использовать тигель для малых количеств. Дисперсия была 20 мм на 1% относительной разности масс, кратность обогащения при разделении изотопов свинца достигала 300 (по 208Pb), плутония 100 (по 239Pu), урана 1400 (по 236U) [5], установка работала до начала 1959 г. Однако для некоторых задач этого было недостаточно (например, выделения малораспространенных изотопов высокой чистоты), а использование нескольких последовательных циклов было невозможно из-за низких к.п.д. каждого цикла. Было решено к этой установке, получившей название «УМ-30», добавить каскад — магнитный анализатор, и по виду траекторий ионов в такой 2-магнитной установке ее назвали «S-система». При ее проектировании, расчете, конструировании был применен ряд оригинальных приемов, например, совмещение магнитного поля анализатора с электрическими полями фильтра скоростей, стабилизация магнитных полей с помощью электронно-лучевой трубки и т.д. Расчет полей дан в работе [6], вошел в кандидатскую диссертацию А.Ф. Малова [7], стабилизация магнитного поля указанным способом опубликована в [8], есть отдельные отчеты по магнитным полям, конструированию, вакуумной системе.

Отчет [6] отражает серьезный период работы большого коллектива (авторы выносят благодарность 18 сотрудникам ОЭА, двум другим коллективам и сотрудникам мастерских), безусловно, интересен для масс-спектроскопистов: при испытаниях на свинце в октябре 1961 г. было получено: 204Pb — 99,67% (±1%), 206Pb — 0,13% (±3%); 207Pb — 0,07% (± 3%); 208Pb — 0,13% (± 3%) (в скобках указана относительная точность). Однако рассматривать эту работу как плазмофизическую никак нельзя.

В С-37 (П.М. Морозов) занимались инжектором для ускорителя (а это в основном ионный источник), стабилизированным пучком с помощью ионной завесы, источником многозарядных ионов. Очень большой задачей было создание нейтронного генератора, для которого нужно было сделать источник протонов на ток 1—10 А при энергии ионов ~ 200 кэВ и сфокусировать пучок на площадь ~ 1 см2. Сектор отвечал за решение всей задачи, включая и курирование строительства соответствующего здания (по воспоминаниям Р.Н. Кузьмина и Л.И. Староверова). Статья А.Г. Зимелева и Р.Н. Кузьмина [9] посвящена изготовлению циркониево-дейтериевой мишени на медной подложке. Расчеты вращающейся мишени и ее охлаждения приведены в двух отчетах О.Б. Фирсова [10, 11]. Работа по источнику была переориентирована на источник молекулярных ионов Н для установки «Огра».

По физике плазмы сохранился отчет А.Я. Козлова [12]. Это экспериментальная работа по измерению плотности тока и потенциала плазмы в столбе разряда в магнитном поле с осциллирующими электронами. Разряд горел в медном цилиндре диаметром 14 см, имитирующем разрядную камеру источника, вытягивание ионов не проводилось по чисто техническим причинам (рис. 1). Катод К — вольфрамовый, подогревный. В антикатоде Б—В было сделано отверстие, через которое частицы могли попадать в регистрирующую камеру, а сам антикатод можно было перемещать так, что отверстие диаметром 0,35 мм двигалось по радиусу (см. рис. 1). Регистрационная камера изображена на рис. 2. При измерении энергии частиц на цилиндр Ц подавался задерживающий потенциал; при измерении тока цилиндр Ц удаляли, а коллектор К приближали к отверстию. Схемы измерений токов и потенциалов стандартные для подобных опытов (рис. 3). Было установлено, что в пределах радиуса катода на коллектор идет электронный ток, причем есть электроны с энергией, большей, чем разрядное напряжение (на 40 В). За пределами проекции катода ток ионный. Потенциал плазмы в пределах проекции катода практически постоянен ( – 25 В), на больших радиусах несколько растет. По-видимому, это была первая работа по разряду с осциллирующими электронами. Интересно появление аномально быстрых электронов, но причину

дополнительного ускорения автор не обсуждает.

Рис. 1. Схема прибора: А — медная трубка — анод; К — подогревный катод, К — нить подогрева катода; К— тепловой экран; Б — диафрагма антикатода; В — блок антикатода; Г — изолятор; Д, Е — элементы системы перемещения антикатода

Рис. 2. Схема измерительного блока антикатода: В — блок антикатода; Б — диафрагма антикатода; К — коллектор; Ц — задерживающий цилиндр

Рис. 3. Схема электрических измерений

Рис. 4. Схема прибора: C — медный цилиндр; B — блок катода; K — подогревный катод; N — нить подогрева катода; D — диафрагма; A — анод; S — коллекторы; G —экран

Есть еще два отчета и статьи А.В. Жаринова [13, 14]. Работа [13] экспериментальная: осциллографировали ток на анод в зависимости от напряженности магнитного поля и давления газа. Схема прибора приведена на рис. 4, измерительная схема дана на рис. 5. Отверстий в аноде А и коллекторов S было шесть независимых, но при измерениях использовали один коллектор, остальные соединяли с анодом А (см. рис. 4). Существенно, что диаметр катода (3 мм) значительно меньше радиуса размещения отверстий в аноде (R = 10 мм), отверстия находятся в области вторичной плазмы. Рабочий газ — азот, давление в разрядном промежутке P меняли от ~ 310–3 до ~ 710–3 торр. Магнитное поле меняли от 430 до 3050 Э. Частота генератора пилообразных колебаний f = 50 Гц. Шунтирование нагрузочного сопротивления R = = 1 кОм (см. рис. 5) применяли при большой модуляции сигнала (снимаемого с R) колебаниями, возникающими при H =3050 Э (Р ~ 3,510–3 торр). Включение диода D (размыканием ключа) применяли, если электронный ток превышал ионный в 20—30 раз. Нулевую линию на осциллограммах получали, шунтируя вход усилителя УИПП-2 ключом К3. На рис. 6 приведена серия осциллограмм, полученных при давлении P = 710–3 торр (кадр № 8 снят при включенной емкости С). Видно, что с увеличением Н ток электронов уменьшается, а при Н = 3050 Э скачком возрастает. На рис. 7 приведено отношение Jе/Ji, построенное по осциллограммам. На рис. 6 четко виден скачок кривой при H = 3050 Э. Аналогичные результаты получены и при P 3,5·10–3 торр, но скачок получается при H = 2800 Э.

Рис. 5. Схема измерений: K — катод; A — анод; S — коллектор; r — генератор пилообразных импульсов; УИПП-2 — усилитель; ЭО-7 — осциллограф

Автор считал результаты предварительными, но сделал следующие выводы: существует критическое значение напряженности магнитного поля, при котором электронный ток скачком возрастает в 20—100 раз и развиваются колебания. Зависимость от давления указывает на роль параметра замагниченности eе, «...возможно, предопределяющей возникновение нового состояния разряда — с интенсивными колебаниями и большой скоростью поперечного перемещения электронов» (см. [13]). До скачка, по-видимому, идет обычная столкновительная диффузия (D~H–2), а механизм скачка и диффузии в дальнейшем требует более детального и тщательного изучения.

Работа [15] является развитием работы [13], опыты проводились на той же установке, только существенно изменена конструкция зондов — их стало восемь, расположенных по диаметру анода, рабочие газы — водород, азот, аргон. Установлено, что критическое магнитное поле линейно зависит от давления, а угол наклона прямой H= f(p) свой для каждого газа. Осциллографируя на двухлучевом осциллографе одновременно ток с двух зондов, автор установил, что при напряженности магнитного поля, близкой к критической, в разряде возникает поперечный плазменный факел, вращающийся вокруг пучка первичных электронов в ионную сторону. Частота вращения уменьшалась с ростом H, в определенных условиях возникали два факела. Скорость вращения «...ассоциируется с величиной скорости дрейфа C[]H2 в соответствующих условиях».

Работа [14], по существу, теоретическая, автор анализирует рассуждения и выкладки Бома [16] и Саймона [17], указывает на допущенные ошибки в объяснениях быстрой диффузии плазмы поперек магнитного поля и приходит к выводу: «Однако природа этого нового механизма все еще остается неизученной».

Работа А.В. Жаринова [18], хотя и методически выполнена чисто, имеет довольно узкий интерес, что фактически отмечает и сам автор в аннотации: «...в условиях данной работы» (геометрия, давление газа и т.д.) в большой степени определили полученные результаты.

В С-48 (В.М. Глаголев) занимались стабилизированным пучком (ВЧ кольцевой разряд), немного термоядерными исследованиями (улучшение удержания плазмы в открытой ловушке с помощью СВЧ-поля), плазменным волноводом. Отчетов почти не сохранилось, по термоядерным работам был доклад на II Женевской конференции. Есть еще два отчета В.В. Хилиля [19, 20]. Первый — теоретико-расчетный: дано решение уравнения Максвелла для электромагнитной волны, распространяющейся в диафрагмированном волноводе. Рассчитана дисперсионная кривая волновода, показана существенность учета первой гармоники и несущественность учета более высоких. Работа [20] — экспериментальная и прямо связана с физикой плазмы: в 1956 г. появились работы по применению электромагнитных высокочастотных полей для удержания и нагрева магнитоактивной плазмы и было весьма актуально исследовать условия максимально возможного поглощения волны плазмой. (Плазма является нестационарной нагрузкой, зависящей от многих параметров, в том числе и от величины усваиваемой плазмой энергии. — Прим. автора). По предложению В.М. Глаголева были использованы некоторые особенности двойного волноводного Т, позволяющие наблюдать за величиной отражаемой от плазмы мощности и подстраивать волноводы так, чтобы поглощаемая мощность стала наибольшей. Была сооружена сравнительно небольшая установка (стеклянная разрядная трубка диаметром 23 мм и длиной 1000 мм с довольно мощным источником СВЧ-питания на частоте 2800 МГц (магнетрон МИ-80 мощностью 200 кВт). О плотности плазмы судили по отсечке сигнала 3-см генератора 43И, работавшего в режиме импульсной модуляции с импульсом длительностью 100 мс. Результаты измерений показали, что разработанная система питания разряда обеспечивает поглощение энергии до 90%. В разряде с плотностью электронов больше n 1012 см–3 (P 3 торр) исследованы зависимости поглощения энергии плазмой от давления, напряженности магнитного поля, мощности волны, положения согласующих поршней в соответствующих плечах двойного волноводного T.

ИНЖЕКТОРЫ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

Развитие работ по адиабатическим открытым ловушкам привело к поиску методов их заполнения. Г.И. Будкер предложил использовать инжекцию молекулярных ионов с диссоциацией их на остаточном газе или накопленных атомарных ионах. Этот метод использовали в ловушке Л-2 («Огренок») и на установке «Огра-1». М.С. Иоффе предложил метод «ионного магнетрона», его использовали на установках ПР-1, ПР-2, ПР-5 и ПР-6. Однако максимальная плотность плазмы была невысокой — обычно не больше 1011 см–3, и лишь на оси в установке ПР-6 ее удалось довести до (3—5)1012 см–3 (но это уже в 1967 г.). В конце 50-х и самом начале 60-х годов казалось, что, используя инжекторы плазмы в той или иной модификации, удастся на порядки поднять плотность плазмы в открытых ловушках. Инжекторами начали заниматься в секторах С.М. Осовца, В.С. Комелькова, Г.Я. Щепкина (группа А.И. Морозова), С.Ю. Лукьянова. Наверное, следует отметить, что с 1957—1958 гг. И.В. Курчатов начал активно привлекать к работам по управляемому синтезу Ленинградский, Харьковский, Сухумский физико-технические институты, и, по-видимому, первая отечественная работа по электродинамическому ускорению сгустков плазмы газообразных веществ, т.е. не взрыв и ускорение проволочек — «рельсотрон», была выполнена И.Ф. Кварцхава и др. [24] в Сухуми. Однако рассматривать работу [24] как посвященную изучению инжекторов, пожалуй, было бы неправильно: устройство, ускоряющее сгусток плазмы (коаксиальное или индукционное), помещалось в некоем рабочем объеме, заполненном газом при том же давлении, что и в ускоряющем устройстве, так что инжекции извне в объем не было. Однако если рассматривать подобный ускоритель плазмы только с точки зрения получения сгустка (или струи) плазмы, которую еще нужно ввести в некую магнитную «посуду» (например, в пробкотрон) и удержать там, то чем хуже устройство, ионизующее и ускоряющее прямо в «посуде» какую-то часть имеющегося газа? Просто вместо системы внешней инжекции появляется еще одна система внутренней инжекции. В 1960 г. была опубликована теоретическая работа А.И. Морозова и Л.С. Соловьева [25], посвященная ускорению сгустка плазмы в коаксиале. Приняв, что вдоль направления ускорения сгусток настолько тонкий, что можно считать величину ускорения одинаковой для всех точек сгустка, авторы в МГД-рассмотрении находят равновесную конфигурацию изотермического плазменного сгустка. Интересно, что рассматриваются только давление плазмы и азимутального магнитного поля, натяжение силовых линий этого поля и инерция ускоряемой плазмы. Показано, что получаемые конфигурации границы плазма—поле неустойчивы, причем пространственный и временной масштабы возмущения зависят от проводимости плазмы. В 1961 г. опубликована работа С.Ю. Лукьянова и др. [26], посвященная изучению процесса электродинамического ускорения сгустка плазмы и являющаяся продолжением работ по «рельсотрону». Основная часть измерений проведена на установке, коаксиальный ускоритель в которой составлял ее основную часть (рис. 8). Длина коаксиала L = =1000 мм, диаметры внешнего и внутреннего электродов D = 150 мм и d = 50 мм соответственно. Расстояние до калориметров было всего 60 см. Емкость конденсаторов C = 75 мкФ, напряжения меняли от 10 до 20 кВ. Система находилась под постоянной откачкой до давления P 1·10–6 торр, и пробой между электродами происходил тогда, когда давление газа вблизи импульсного клапана становилось достаточным для пробоя согласно кривой Пашена. Клапан пропускал в камеру примерно 0,3 см3 газа при нормальных условиях. Диагностически установка была оборудована хорошо — токи измеряли поясами Роговского, скорость сгустков — по пролетным временам наиболее яркой части сгустков мимо ФЭУ-1 и ФЭУ-2, а также по насыщению токов на зондах. Энергию сгустков определяли с помощью шести коаксиальных калориметров (см. рис. 8, условно «термопара»), был использован метод парабол Томсона с автономной системой откачки. Основные эксперименты проведены на водороде, но для градуировки метода парабол применяли дейтерий, гелий, азот, воздух, вследствие этого получали параболы с заранее известным отношением заряда к массе.

Рис. 8. Схема установки

В результате большой серии измерений (например, для получения одной точки на кривых распределения плотно проводилось по 15 разрядов) было показано, что энергия сгустка растет с напряжением на конденсаторах C быстрее, чем по C2, т.е. растет к.п.д. инжектора (при U = 10 кВ = 6%; при U = 20 кВ =15%), несколько растет скорость сгустка, заметно растет число частиц в сгустке. Последнее особенно интересно: было показано, что в разряде появляются тяжелые частицы (углерод, медь) — разряд взаимодействует с электродами, «обдирает» их. Нужно отметить краткое упоминание авторов, что исследование «быстрых» частиц, возникающих при ускорении плазмы, было выполнено на малом инжекторе (D = 48 мм, d = 12 мм, L = =150 мм). Как размещался этот ускоритель, как напускали газ, какие были батареи — ничего нет... А вот в конце статьи указано, что «...для протонов уверенно получалось максимальное значение скорости 3,5·108 см/с», так что энергия этих частиц в несколько раз превышала величину eU (U — напряжение на конденсаторе C). Авторы предположили, что происхождение таких быстрых ионов связано с ускорительным механизмом, аналогичным механизму ускорения в мощных импульсных разрядах.

Рис. 9. Разрядная камера и схема плазменной струи: 1 — стеклянный цилиндр; 2 — кольцевой электрод; 3 — стержневой электрод; 4 — фарфоровый фланец; 5 — воздушный разрядник; 6 — батарея конденсаторов; 7 — токовый шнур; 8 — плазменный коаксиал

Изучение коаксиальных инжекторов велось весьма активно и за рубежом, и в нашей стране. Изучали параметры плазменных сгустков и их изменения в зависимости от геометрии инжектора (соотношений диаметров и длин электродов, их формы: расходящихся и сходящихся конусов внешних электродов и т.д.), соотношения времен напуска газа и включения батареи конденсаторов, энерговклада (~ CU2) и быстроты его ввода (соотношения емкостей и индуктивностей ускорителя и схем питания) и т.д. Следует отметить, что уже в самых первых работах указывали на возможность применения инжекторов плазмы (и ионных источников) в качестве электрореактивных двигателей (ЭРД) для космических аппаратов. Вероятно, поэтому многие работы по инжекторам в нашей стране были засекречены. Утверждать, что в США, Англии, Франции не было секретных работ в этих направлениях, конечно, нельзя, но публиковалось много работ, в которых прямо подчеркивалась направленность на создание ЭРД. И не только отдельные статьи, но и монографии. Естественно, что это ставило в неравные условия наших и зарубежных ученых — новое публиковать нам было нельзя, а подтверждать чужие результаты не очень-то интересно. Сегодня все направление ЭРД полностью описано, есть книги, изданные у нас, как переводные (например, [28, 29]), так и отечественные (например, [30]), вышел ряд сборников по ускорителям плазмы (например, [31]). О работах по ЭРД в ИАЭ необходимо написать самостоятельный раздел: все-таки первые, запущенные и работавшие в космосе советские ЭРД были разработаны и изготовлены у нас в институте.

Вернемся к коаксиальным инжекторам. В ИАЭ исследованием в этом направлении (без привязки к ЭРД) занимались в секторе В.С. Комелькова. Уже на IV Международной конференции по ионизационным явлениям в газах (г. Упсала, Швеция, 1959 г.) была представлена работа В.И. Васильева и др. [32]. В этой работе исследовали разряд, возникающий и развивающийся в коаксиальном инжекторе (и за его пределами) с электродами, длина (высота) которых почти в десять раз меньше диаметра внешнего электрода (рис. 9). Стеклянный цилиндр имел длину 900 мм и диаметр 185 мм. Давление газа меняли от 10–2 до 10 торр, использовали дейтерий, водород, аргон. Иногда в водород добавляли 5—10% азота (для оценки температуры по ширине линии NII при = 3995 ). Была применена следующая диагностика: измеряли ток разряда, напряжение на электродах, распределение плотности тока (J/J в %) и магнитных полей по радиусу и высоте разряда; широко использовали оптическую диагностику (скоростное фотографирование и спектрометрию). Наверное, нецелесообразно описывать все полученные результаты (тем более, что это далеко не последняя работа данного коллектива с подобными разрядами), но основное необходимо отметить: в такой геометрии образуется плазменный коаксиал с обратным током и пинч самостабилизируется. Авторы отмечают его аномально большую устойчивость, но только при отрицательной полярности центрального электрода. Изменив конструкцию установки (рис. 10), авторы получили двойную плазменную струю, также аномально устойчивую. Показанные на рис. 9 и 10 плазменные коаксиалы полностью соответствуют реально полученным скоростным фотографиям, приведенным в [32], где дан раздел о возможных экспериментальных схемах с применением подвижного газового коаксиала (в докладе в Упсале его нет).

Рис. 10. Разрядная камера с кольцевыми электродами и схема двойной плазменной струи: 1, 2 — кольцевые электроды; 3 — стеклянный диск с диафрагмой; 4 — фланец из оргстекла; 5 — плазменный коаксиал; 6 — двусторонний токовый шнур

Может показаться странным, что, рассматривая инжекторы, обратили внимание на работу [32] — «устойчивый шнур». Дело в том, что в работе В.С. Комелькова и др. [33], по существу, являющейся развитием работы [32], показано, что при достаточно большом удалении от электродов «устойчивый динамический плазменный шнур» (так называется работа [32]!) разрывается и получается весьма интересное плазменное образование (рис. 11) — плазмоид. На рис. 11 видна сложная структура токов и магнитных полей как в «оторванном» плазмоиде, так и во время его формирования. Очень интересной и важной является внутренняя токовая спираль 5 (см. рис. 11), по-видимому, определяющая создание продольного Bz и радиального Br магнитных полей. Рис. 11 построен по совокупности данных большого числа измерений распределения магнитных полей с помощью миниатюрных магнитных зондов и скоростных фотографий разряда, сделанных на разных расстояниях от электродов перпендикулярно и вдоль оси камеры.

Рис. 12. Структура магнитных силовых линий и графики распределения Bz и Br по радиусу на разных расстояниях от электродов: 1, 2 — электроды; 3, 4 — стенка и изолятор камеры; 5 — ход силовых линий магнитного поля. Br в направлении стенки отрицательное

Работа Ю.В. Скворцова и др. [34] является дальнейшим развитием работ [32, 33], и авторы отмечают, что выполнена она в 1959—1961 гг., т.е. в то же время, что и работы [32, 33]. Эксперименты проводились на установках, описанных в [32] (см. рис. 9 и 10). Основное внимание авторы уделяли структуре токового шнура, магнитному полю тока разряда и скорости струи. Было подтверждено, что внутри токового шнура имеются плазменные нити, свивающиеся в спираль. Авторы предположили, что это — проявление винтовой неустойчивости токового шнура. Весьма детально изучено магнитное поле шнура, установлено, что B создается током шнура, а Bz и Br образуются током спирали — соленоидом, находящимся в приосевой области. Пространственные распределения магнитных полей меняются с течением времени, и они особенно сложные в распадающейся струе (в конце первого полупериода разряда). Вне токового шнура они представляют собой винтовые линии, а внутри его направлены вдоль оси Z — оси камеры (рис. 12) — таким образом формируется плазмоид. Было подтверждено (установленное ранее в работе [33]) совпадение скоростей светящегося фронта струи и фронта увлекаемого струей магнитного поля Bz. Также подтверждено влияние полярности центрального электрода (при положительной полярности шнур неустойчив) и постоянной устойчивости при отсутствии этого электрода — двойной пинч (см. рис. 9). В 1962 г. В.С. Комельков опубликовал работу [27]. Он предложил рассматривать плазмоиды, описанные в работах [32—34], как магнитогидродинамические вихри (МГВ), у которых наружный диаметр D примерно равен удвоенному диаметру сечения тора d0: D 2d0. Отмечая описанные в работах [32, 33] особенности таких плазмоидов, подчеркивая некритичность их основных свойств к изменениям масштаба времени и токов в 102—103 раз, автор считает, что они могут быть широко распространены везде, где существуют плазменные токи, в частности на Солнце. Схема выхода МГВ на поверхность Солнца показана на рис. 13, 14.

Рис. 13. Схематические изображения всплывающего МГД-вихря: а — тороид (1 — поверхность Солнца; 2 — тороидальный токовый вихрь; I — ток тороида; H — магнитное поле тороида; D и d — большой и малый диаметры тороида); б — плазмоид (1 — токовый шнур; 2 — внешний плазменный коаксиал; I — ток, протекающий в шнуре и плазменном коаксиале; H и Hz — азимутальное и продольное магнитные поля)

Рис. 14. Схема выхода МГД-вихря на поверхность Солнца: а, б, в — последовательность подъема; г — образование цепочки плазмоидов; 1 — поверхность Солнца; I, H, Hz — ток, азимутальное и продольное поля соответственно

Работа В.Ф. Демичева и В.Д. Матюхина [35] (1963 г.) посвящена изучению «судьбы» плазменных сгустков, получаемых в коаксиальном инжекторе (инжектор Маршалла). Было установлено, что параметры (скорость, энергия, импульс и т.д.) определялись начальным напряжением на конденсаторах U, количеством M и родом впрыскиваемого газа, времени t между моментами впрыска и пробоя газа. Опыты проведены при U0 = 3—15 кВ, t = 150—250 мкс, M = 0,1—1,2 см3, атмосферном давлении. Работали в основном с дейтерием, но часть опытов сделана с водородом и гелием. Авторы отмечают хорошую воспроизводимость результатов (±10% от среднего). Сгусток двигался в фарфоровой трубе диаметром 10 см и длиной 120 см, на которой в трех местах были обмотки, создающие слабое магнитное поле (H 200 Э). По вытеснению плазмой этого поля можно было судить о форме сгустка, оценивать проводимость плазмы, а по времени сдвига сигналов от разных катушек определять скорость сгустков (рис. 15). Было установлено, что скорости сгустков растут с U0, причем скорость V всегда существенно больше скорости V (по существу только тепловой). При впрыскивании небольших количеств газа сгусток разделялся на два (иногда и большее количество) сгустка (рис. 16), причем скорость первого сгустка была существенно больше и сильнее зависела от U0, чем скорость второго сгустка. Авторы предположили, что образование первого сгустка (фор-сгустка) связано или с образованием ударной волны на срезе инжектора, или с пинч-эффектом сразу за срезом (фактически образование плазменного фокуса. — Прим. автора). Калориметрические измерения и измерения с термозондом Ю.Г. Прохорова показали, что энергия фор-сгустка существенно больше, а плотность почти на порядок меньше, чем у второго, хотя масса в основном сосредоточена во втором сгустке. Типичные параметры сгустков (индекс внизу обозначает номер сгустка):

Рис. 15. Схема определения скорости сгустка

Рис. 16. График распределения сгустка

Напряжение U0, кВ …	5	10
Скорость, см/с: V1 …	1,7·107	4,5·107
V2 …	6,6·106	1,1·107
Энергосодержание, Дж: Q …	50	1350
Q1 …	15	900
Q2 …	100	1140
Импульс P, дин/с …	1	9,5
Масса, мкг: M1 …	1,0	9,6
M2 …	11,0	64
Плотность частиц, см-3: n1 …	1014	3·1014
n2 …	1015	5·1015
Полное число частиц: N1 …	3·1017	3·1018
N2 …	3,3·1018	1,9·1019

Работа Ю.В. Скворцова [36] выполнена позже (1966 г.), но ее следует рассмотреть, по-видимому, здесь, так как автор провел измерения ширины и скорости движения токового слоя на начальной стадии разряда, естественно, влияющей и на дальнейшую «судьбу» сгустка. Работа проведена на классической «пушке Маршалла» диаметром внешнего электрода 11 см и внутреннего 5 см с импульсным напуском газа из мерного объема 1 см3. Исследовано два режима: «большого давления» (давление в мерном объеме составляло 4 атм, время напуска 150 мкс) и «малого давления» (давление в мерном объеме 1 атм, время напуска 50 мкс). В первом случае газ заполнял весь объем инжектора при давлении p 1 торр, во втором случае газовое облако было существенно меньше длины электродов. Основная диагностика — измерение азимутального магнитного поля B миниатюрными зондами, размещенными вдоль камеры длиной L= 200 см. Совокупность результатов дала основание автору для утверждения, что в начальной стадии разряда существенно влияние продольных токов Холла, текущих в плазме навстречу ее движению и замыкающихся через электроды. Автор объясняет и появление быстрых нейтральных атомов, и разгон основной массы ионизованного газа (включая и примеси), но отмечает, что анализ этого этапа затруднен как раз появлением примесей, токами Холла и т.д.

В 1963 г. была выполнена работа Г.Н. Аретова и др. [37] в основном тем же коллективом, который выполнил работы [3234], однако авторы на них не ссылаются... Странно? Не очень: по-видимому, авторы считали, что основное в этих работах — получение устойчивого плазменного шнура, а образование плазмоида — как бы «побочный эффект». И только в более поздних работах основное внимание стали уделять структуре плазмоидов, их внутренним токам и магнитным полям. Это тоже понятно: с точки зрения создания инжекторов плазмы термоядерных параметров (энергия ионов хотя бы десять киловольт и достаточное количество частиц) строение плазмоидов, возможно, не очень-то существенно. А разобраться в нем настолько, чтобы научиться управлять энергией частиц и их плотностью и получить нужные величины энергии (если это возможно!), далеко не просто. Поэтому появилось много работ, посвященных экспериментальным поискам оптимальных условий ускорения сгустков без детального анализа происходящих в ускорителях процессов. В таких работах давали феноменологическое описание образования и изменений плазмоида в ходе его движения. Одной из таких работ и была работа [37]: тщательное исследование зависимости изменения инжектируемой струи плазмы в ходе ее движения от задержки включения батареи конденсаторов по отношению к моменту напуска газа. Изучали классический коаксиальный инжектор с наружным электродом (всегда анод!) диаметром 7,0 см, внутренним 3,2 см, длиной L = 31 см. Характерные времена: первая четверть периода разряда t1 = 1,8—2,1 мкс, вторая четверть t2 = 3,9—3,6 мкс в зависимости от массы ускоряемого дейтерия. Амплитуды тока в первом полупериоде 50, 100 и 170 кА зависели от напряжения конденсаторной батареи (U0 = = 2,5, 5, 7,5 кВ) и не зависели от массы газа. Стеклянная пролетная труба (плазмовод) имела диаметр 10 см и длину 80 см. Использовали большой набор диагностических методик: оптическую (спектрографы, монохроматоры, электронно-оптическая лупа), магнитную (по вытеснению внешнего магнитного поля H = 100 Э в плазмоводе, создаваемого локально или по всей длине плазмовода), калориметрические (термозондом по пути плазмоида и глубоким калориметром на конце плазмовода), стандартные измерения тока инжектора и напряжения на его входе. По совокупности измерений авторы составили структурную схему плазмоида с привязкой к ней сводного графика сигналов (рис. 17). Авторы пришли к следующим выводам:

— во всех режимах работы коаксиального инжектора создаваемые им плазмоиды имеют характерные области: сильноионизованного газа, примесей и слабоионизованного газа (см. рис. 17, схема 1);

— первая область практически не светится (см. рис. 17, кривые 5—7) — это полностью ионизированный дейтерий плотностью до 2·1015 см–3, скоростью до 3·107 см/с, температурой электронов до 6 эВ (разумеется, для исследованных режимов);

Рис. 17. Структурная схема плазмоида и сводный график сигналов: 1 — схема структуры сгустка; 2 — сигнал интегрирующих катушек, регистрирующих вытеснение магнитного потока; 3 — микроволновой сигнал; 4 — ход выделения энергии; 5 — свечение линии D; 6 — свечение линии CuII 4649o в центре плазмопровода; 7 — свечение той же линии у края плазмопровода

— в зоне свечения примесей обнаружены атомы и ионы меди (материал электродов) и углерода (пары масла) (см. рис. 17, кривая 6), летящие со скоростью до 8·106 см/с, при этом плотность частиц несколько меньше плотности в первой области;

— в интенсивно светящейся третьей зоне основным источником све­та является линия D (см. рис. 17, кривая 5), что показывает присутствие в этой зоне большого числа атомов дейтерия, скорость ионов здесь 6·106 см/с, их плотность 5·1015 см/см–3;

— причиной расслоения сгустка является разница скоростей ионов дейтерия, ионов примесей и нейтрального газа.

В известной мере работа [37] подвела итог исследованиям в ИАЭ «внешних», глобальных характеристик плазмоидов, получаемых с помощью «пушек Маршалла». Конечно, только «в известной мере», поскольку работы не прекратились, но больше внимания стали уделять квазистационарным ускорителям с напуском газа, а импульсные начали исследовать в основном в качестве ЭРД, где рабочим телом были продукты эрозии электродов и специально вводимого твердого тела. Аналогичные исследования велись также и за рубежом и в других институтах нашей страны (ФИАН, ХФТИ, СФТИ), но полученная скорость сгустков, их плотность мало отличались при различных модификациях инжекторов (прямые цилиндры, сходящиеся и расходящиеся конусы внешних электродов и т.д.).

В некоторой степени (по вероятной конфигурации токов в определенных условиях) с работами [32—34] можно сопоставить работу Н.А. Борзунова и др. [38], хотя ее, возможно, следует рассматривать как z-пинч в камере с проводящими стенками, но не цилиндрическими, а коническими. Предположив, что разряд формируется в соответствии с моделью «магнитной стенки», и учитывая изменение радиуса камеры по высоте (длине) плаз­менного столба, авторы показывают, что вдоль оси разряда должна распространяться струя плазмы, в некоторой степени аналогичная образованию кумулятивной струи. Однако «последовательное решение задачи встречает ряд не преодоленных до сих пор математических трудностей» даже в предположении полного скинирования. Тем не менее авторы, рассмотрев случай плоской ударной волны, считают возможным сделать предположение о вероятной конфигурации токов в плазме при разряде в конической камере (рис. 18). Затем авторы предлагают два таких разряда направить навстречу друг другу, предполагая, что образуется конфигурация токов, изображенная на рис. 19. Экспериментально изучали разряды в простых (рис. 20) и двойных (рис. 21) конических камерах. Диагностика в основном обычная (ток измеряли поясом Роговского, напряжение снимали с безындуктивного шунта, использовали миниатюрные магнитные зонды, использовали скоростное фотографирование), кроме применения пьезоэлектрического датчика для определения момента прихода волны давления в ту или иную точку. На двойном конусе регистрировали нейтронное излучение сцинтилляционным счетчиком. Питание разряда осуществляли от конденсаторов емкостью C = 35—40 мкФ при начальном напряжении U0 = 25—40 кВ, работали на водороде и дейтерии при начальном давлении р0 = 0,02—1,0 торр. Было показано, что в одиночном конусе скорость струи плазмы увеличивается по мере удаления от электрода от 6·106 см/с примерно до (1,5—2,0)107 см/с. На установке с двойным конусом было выяснено, что сжатие начинается у электродов, достигает максимума в середине камеры, где сжатое состояние существует довольно долго (~2 мкс). При работе на фарфоровом двойном конусе с несколько другими размерами, чем на рис. 21, систематически наблюдался выход нейтронов.

Рис. 18. Вероятная конфигурация токов в плазме при разряде в конусе: 1 — направление основного тока; 2 — струя газа, обусловленная перепадом газового давления; 3 — струя газа, обусловленная перепадом магнитного давления

Рис. 19. Вероятная конфигурация токов при разряде в двойном конусе

Рис. 20. Схема установки: 1 — конденсаторная батарея; 2 — усеченный стеклянный конус; 3 — медный коаксиальный фидер; 4 — медные электроды, в центре верхнего электрода имеется отверстие диаметром 5 см; 5 — стеклянный цилиндр диаметром 6 см; 6 — пьезоэлектрический датчик; 7 — искровое реле; 8 — пояс Роговского; 9 — окна в коаксиале для фотографирования разряда

Авторы сделали следующие выводы:

Рис. 21. Схема двойной конической системы: 1 — стеклянная камера; 2 — медный коаксиальный фидер; 3 — окна с жалюзи; 4 — пояс Роговского

— в конической камере наблюдается кумуляция, вызывающая увеличение скорости плазмы вдоль оси в 2—3 раза по сравнению со скоростью в цилиндрической системе;

— нейтронное излучение в двойной конической системе не связано с «особенностями» на осциллограммах тока и напряжения и не сопровождается рентгеновским излучением. Авторы подчеркивают предварительный характер работы по изучению явлений, возникающих при разрядах в конических камерах.

Работу [38] автор обзора решил отнести все же к инжекторам, так как несколько измененный одиночный конус (убран пьезоэлектрический датчик 6 (см. рис. 20), а стеклянная труба 5 применялась в качестве плазмовода) использовали для инжекции перпендикулярно магнитному полю. Отчетов не сохранилось, так что это утверждение полностью на совести автора. Опыты довольно быстро прекратили, так как в ХФТИ была проведена большая работа именно по инжекции перпендикулярно полю, а первые результаты оказались аналогичными харьковским.

Рис. 22. Схема установки «Малая модель»

В работе Ю.Д. Клебанова и В.И. Синицина [40] (1961 г.) изучали не процессы ускорения плазмы в том или ином типе инжектора, а только параметры плазмы, выбрасываемой в вакуум. Опыты проводились на установках «Малая модель» (рис. 22), где 1 — медный перфорированный (для скоростного фотографирования) цилиндр, электрически соединенный с верхним электродом 3; 2 — нижний электрод; 4 — стеклянная камера; 5 — вакуумный разрядник. Емкости C = 40 мкФ, начальные напряжения U0 = 20—30 кВ, ток разряда J 500 кА, рабочий газ — водород, давление P0 = 0,1—1,0 торр. Так как давление в камере 4 было такое же, как в рабочей камере, то фактически сгусток инжектировался не в вакуум. Время перезарядки на молекулярном водороде r 10–7 с существенно меньше длительности инжекции, так что скоростные фотографии отражали движение продуктов перезарядки (рис. 23), поэтому была сооружена «Большая модель» (рис. 24) с раздельной откачкой разрядной камеры 4 и камеры движения сгустка вне ее. Разделяющие камеры диафрагмы 5 имели диаметр 5 и 10 мм, так что перепад давления составлял около 2000 раз. Съемки СФР оказались невозможными (мало света), и диагностику проводили с помощью термозондов (специальными опытами доказали, что роль света и нейтральных частиц не влияет на нагрев зондов) и монохроматоров с ФЭУ (для определения скорости сгустков по сдвигу световых импульсов). По совокупности полученных результатов авторы пришли к заключению:

— из импульсного разряда часть плазмы инжектируется за пределы разряда, причем в обе стороны вдоль оси разряда;

Рис. 23. СФР сгустков плазмы в «Малой модели»: а — на электроде 2 (см. рис. 22) — знак минус; б — знак плюс; в — эжекция в сторону электрода 2 (в нем отверстие)

Рис. 24. Схема установки «Большая модель»: 1, 2, 3 — смотровые люки; 4 — разрядная камера; 5 — диафрагма; 6 — разрядник; 7 — батарея конденсаторов С = 80 мкФ; 8 — напуск газа

— полученные сгустки имеют полное число частиц N = 8·1016, плотность n = =6·1013 см–3, скорость vz = 2,8·107 см/с, длительность импульса = 2—5 мкс, длину сгустка l = 30—40 см.

Теоретические работы, начиная с работы А.И. Морозова [41], выполненной еще в 1955 г. (где рассмотрено ускорение магнитным полем струи плазмы, по которой протекает ток, в пренебрежении столкновениями, возбуждением волн и магнитным взаимодействием частиц), затем работы Л.А. Арцимовича и др. не проясняли механизм ускорения плазмы. А экспериментальные результаты существенно расходились с теоретическими предсказаниями... За эти годы (1963—1965 гг.) ряд работ по инжекторам сделали А.И. Морозов и Л.С. Соловьев, рассматривая стационарные течения сверхпроводящей плазмы в магнитогидродинамическом приближении. В 1963 г. они опубликовали работу [42], в которой «...приводится схема вывода системы уравнений, описывающих стационарные течения идеально проводящей сжимаемой жидкости в магнитном поле при винтовой симметрии, и рассматриваются некоторые примеры плоских и осесимметричных течений». В 1964 г. ими было опубликовано три работы [43—45]. В работе [43] авторы дают анализ решений, полученных в общем виде в работе [42], в применении к случаю ускорения плазмы азимутальным магнитным полем. В работе [44] продолжено рассмотрение тех же течений, но учтен эффект Холла. В работе [45] продолжено рассмотрение на случай движения в продольном магнитном поле. Наверное, нужно отметить, что авторы [45] получают не только формулы для определения максимальной скорости плазменной струи (что интересно для инжекции в термоядерные установки), но и формулы для определения тяги, развиваемой ускорителем... А это нужно только для электрореактивных двигателей. Для экспериментаторов наиболее интересной, пожалуй, была работа [44]. Хотя исключение из рассмотрения в ней пограничных слоев («...в данной работе мы будем рассматривать течения при отсутствии пограничных слоев, предполагая тем самым рассеченные электроды») несколько искусственный прием, его использование позволило авторам разделить течения на гидродинамические и холловские (по значимости эффекта Холла в процессе ускорения), определив, что критерием перехода от гидромагнитного течения к холловскому является «параметр обмена». Правда, введение этого понятия сделано в работе [46], но фактически он присутствует в работе [44] как раз при разбиении течений на гиромагнитные и холловские. В интегральном виде этот параметр записывается так:

= Jp/Jn =

где Jp = e() — разрядный ток в канале; Jn = eme/M — ток ионов; и — секундные потоки электронов и ионов через поперечное сечение канала; m — массовый расход; M — масса иона. Интересно, что параметр обмена и погонный ион П связаны соотношением G = П–L–1, где — ларморовский радиус иона; G — геометрический фактор, пропорциональный отношению ширины канала к его длине; L — расстояние между электродами. Введение этого параметра оказалось очень полезным, так как сделало существенно более наглядным рассмотрение ряда процессов, происходящих в стационарных ускорителях. Его широко использовали при описании работы плазменных ЭРД, но работы по ЭРД нужно рассмотреть отдельно — другие задачи, другие требования к ускорителям.

Работы [44, 46] получили развитие в работе А.И. Морозова и А.П. Шубина [47]. Авторы рассмотрели стационарное невязкое плоское течение хорошо проводящей плазмы в узком канале с рассеченными электродами, но соединенными между собой через большие сопротивления: магнитное поле — поперечное, учтен эффект Холла, плазма считалась полностью ионизованной. Показано, что при наличии слабого закорачивания между секциями и сильно выраженном эффекте Холла образуется тонкий прианодный пограничный слой. В линейном приближении вычислены поправки к изотермическому течению, вызванные закорачиванием.

Исследование и разработка инжекторов, естественно, не были самоцелью — проблема управляемого термоядерного синтеза, как и создание электрореактивных движителей (ЭРД), — задачи прикладные. ЭРД рассмотрим отдельно, а применение инжекторов плазмы в термоядерном синтезе, очевидно, связано и с решением задачи ввода (инжекции) и захвата плазмы в какие-либо системы магнитных полей, способные удержать ее достаточно длительное время. В то время основное внимание уделяли инжекции в открытые магнитные ловушки как обычной «пробкотронной» геометрии, так и в ловушки со встречными полями. Изучали движение и поведение сгустка, инжектируемого как перпендикулярно магнитному полю, так и под углом к нему.

При этом в некоторых случаях возникали ударные волны, но такие работы были выполнены позже и в основном не в ИАЭ. Тем не менее до 1962 г. в ИАЭ были выполнены три теоретические и одна экспериментальная работа по ударным волнам, и, с некоторой натяжкой (они не были прямо связаны с инжекторами), их можно привести здесь.

В работе Р.З. Сагдеева [48] рассмотрено взаимодействие ионов с «ударной волной» в «холодной плазме». Автор отмечает, что в отличие от опубликованных ранее работ в полученных им уравнениях не пренебрегается инерцией электронов, а разделение зарядов не считается малым. Автор показывает, что скорость стоячей волны находится между одной и двумя скоростями волны Альфвена при изменении магнитного поля в волне H0 от единицы до трех H0. Но это еще не «ударная волна»: после прохождения волны плазма возвращается в исходное состояние. При учете теплового движения автор рассматривает модель «замагниченных электронов» (их магнитный момент постоянен), пренебрегает действием магнитного поля на ион за время его прохождения через волну (ларморовский радиус иона много больше «толщины» волны) и не учитывает воздействие на волну ионов, скорость которых близка к скорости волны. Взаимодействие таких ионов с волной автор рассматривает отдельно и показывает, что в отсутствие магнитного поля ионы со скоростью, близкой к скорости волны, но меньше ее, забирают у нее энергию, волна затухает. Ионы, скорость которых немного больше скорости волны, ускоряют ее, приводят к неустойчивости. Автор отмечает аналогию с «пучковой» неустойчивостью, развивающейся при (f0 — начальная функция распределения, v — скорость ионов).

Рис. 25. Отражение иона от ударной волны

В магнитном поле картина существенно меняется. Ионы, имевшие перед «соударением» с волной скорость, немного меньшую скорости волны, пойдут в обратном направлении, но магнитное поле завернет их, и они снова встретятся с волной, снова отразятся и так далее (рис. 25, где v — скорость волны, u — скорость частицы). Ионы приобретут скорость в направлении, перпендикулярном как скорости волны, так и своей первоначальной скорости. Автор отмечает, что этот механизм может играть важную роль в образовании «сверхбыстрых» ионов в мощных газовых разрядах (пинчах).

В работе А.А. Веденова и др. [49], рассмотрен вопрос об ударных волнах в разреженной плазме, когда можно пренебречь столкновениями: «В этих условиях структура фронта ударной волны определяется конкуренцией эффектов дисперсии, «нелинейного опрокидывания», «бесстолкновительного» затухания и неустойчивости».

Авторы начинают с рассмотрения волны, распространяющейся строго перпендикулярно магнитному полю, и показывают, что характер нелинейных движений плазмы имеет много общего с характером нелинейных волн в тяжелой жидкости в канале конечной глубины. При числах Маха, близких к единице, ударная волна имеет упорядоченную осцилляторную структуру, и авторы находят длину затухания осцилляций, определяющую ширину фронта волны. При числах Маха больше некоторого, но меньше двух внутри фронта волны возникает локальная неустойчивость из-за достаточно большой относительной скорости электрон—ион, что приводит к дополнительной диссипации и уменьшению толщины фронта. При числах Маха больше двух возникает «опрокидывание», приводящее к возникновению многопотокового неустойчивого движения.

Затем авторы переходят к рассмотрению волн, распространяющихся не строго перпендикулярно к магнитному полю («косые волны»). Отмечая, что «еще в линейной теории» [49] законы дисперсии сильно различаются в области коротких волн для углов =/2 и ( –/2) >> (me/mi)1/2, авторы указывают, что нелинейные движения резко различны: вместо уединенных волн сжатия появляются уединенные волны разрежения. При некотором критическом значении числа Маха происходит «опрокидывание».

Рассматривая структуру фронта ударной волны в отсутствие магнитного поля, авторы показывают, что характерным размером осцилляций является дебаевский радиус.

В работе Р.З. Сагдеева [50] рассмотрена структура фронта ударной волны, распространяющейся поперек магнитного поля в разреженной плазме. Автор рассматривает волну, амплитуда которой и давление плазмы малы по сравнению с давлением магнитного поля. Считая малыми вязкость, теплопроводность и гирорелаксационный эффект, автор рассматривает диссипацию при джоулевом нагреве как трение электронов об ионы. Учитывая, что газодинамическое рассмотрение справедливо только для слабых ударных волн, выписывает уравнения, определяющие плазму и поля в принятых приближениях. Исключая все переменные (плотность плазмы, скорость ее в направлении распространения волны v, скорость электронов, переносящих ток vy, электрическое поле вдоль направления тока Ey), получает уравнение для определения магнитного поля Н. Это уравнение представляет собой уравнение ангармоничных колебаний при наличии трения, в котором роль обобщенной координаты играет H, роль времени x (x — ось, перпендикулярная плоскости волны). Автор получает выражение для потенциала V, определяющего форму потенциальной ямы, что дает возможность установить профиль магнитного поля внутри ударной волны: поле H колеблется с затухающей амплитудой вокруг значения H*, соответствующего полю сзади ударной волны. Приняв, что затухание на одном колебании мало, автор находит зависимость H(x), используя метод медленно меняющейся амплитуды с усреднением по быстрым осцилляциям. График профиля измерения магнитного поля во фронте волны показывает, что сначала в невозмущенной плазме появляется «уединенная» волна (на ее гребне H = Hmax), затем движется вторая волна меньшей амплитуды и т.д. Автор приводит выражение для последовательно сокращающегося расстояния между «возвышениями» магнитного поля, длины затухания осцилляций и ширины фронта ударной волны. Автор отмечает, что полученные результаты справедливы лишь при Hmax < 3H0 (соответственно при числах Маха М меньше двух), так как при М > 2 нет уединенной волны и при H = 3H0 волна «опрокидывается», профиль волны становится трехзначным, т.е. одному значению x соответствуют три значения скорости v. Проводя аналогию с волнами на поверхности тяжелой жидкости в канале конечной глубины, автор отмечает, что в рассматриваемой задаче роль тяжести выполняет магнитное поле, заворачивающее ионы, вырвавшиеся вперед в результате опрокидывания. Смешавшись с покоящимися ионами, они создают разброс скоростей, имитирующий тепловое движение. Так как в волнах с числом Маха больше двух амплитуда скорости примерно равна альфвеновской скорости, то можно оценить и ширину бесстолкновительной ударной волны (ширину переходного слоя) даже в холодной плазме, но при М > 2.

Автор работы [49] отмечает, что в области многоскоростного движения должна развиваться неустойчивость, аналогичная двухпучковой с раскачкой колебаний с волновым вектором, почти параллельным скорости пучка, и что неустойчивость может появиться и при М < 2 в области «однопотокового» движения, так как всегда имеется относительная скорость движения электронов и ионов (например, если она превысит тепловую скорость электронов).

Работа Т.Н. Филипповой и др. [51] интересна тем, что авторы смогли измерить скорость, определить проводимость и электронную температуру плазмы, непосредственно идущей за создаваемой ею ударной волной. Для этого была сооружена установка, в которой магнитное поле разряда, создающего плазму, не проникало в область специально создаваемого для измерений магнитного поля. Работа показывает экспериментальное мастерство авторов, но к проблеме управляемого синтеза имеет весьма малое отношение.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Будкер Г.И., Кадымов А.Х., Наумов А.А. и др. — В кн.: Матер. совещ. по физике и технике метода встречных пучков (Харьков, 21—25 мая 1962 г.). — Харьков: АН УССР, ч. II, с. 91.
2. Будкер Г.И. и др. Работы по сильноточным ускорителям Института ядерной физики СО АН СССР. — М.: Наука, 1982.
3. Budker G.I. — In: Ргос. CERN Symp. on High Energy Accelerators and Pion Phisics. — Geneva: CERN, 1956, vol. 1, p. 68.
4. Жуков В.В. Электромагнитное разделение изотопов тяжелых элементов с М/М 1/240 при высокой разрешающей силе. Автореферат дисс. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук. — М.: ИАЭ, 1954.
5. Арцимович Л.А., Щепкин Г.Я., Жуков В.В. и др. Электромагнитная установка с высокой разрешающей силой для разделения тяжелых элементов. — Атомная энергия, 1957, т. 3, вып. 12, с. 306.
6. Дмитрук М.Д., Малов А.Ф., Панин Б.В. и др. Двухкаскадный электромагнитный сепаратор для получения чистых (c 99°) изотопов тяжелых элементов. Отчет ИАЭ 1457-Б, 1962.
7. Малов А.Ф. О некоторых ионно-оптических свойствах статических электрических и магнитных полей. Автореферат дисс. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук. — М.: МИФИ, 1961.
8. Жуков В.В., Семашко Н.Н. Стабилизация магнитных полей с помощью электронно-лучевой трубки. — Приборы и техника эксперимента, 1958, № 2.
9. Зимелев А.Г., Кузьмин Р.Н. Изготовление Zr—D-мишеней на медной подложке. — Приборы и техника эксперимента, 1960, № 3, с. 139.
10. Фирсов О.Б. Расчет вращающейся мишени для бомбардировки ионами. Отчет ИАЭ № 187-Б, 1956.
11. Фирсов О.Б. Расчет активации воды, охлаждающей мишень нейтронного генератора. Отчет ИАЭ № 240-Б, 1957.
12. Козлов А.Я. Распределение плотности заряженных частиц и потен­циала плазмы в поперечном сечении осциллирующего разряда в сильном магнитном поле. Отчет ИАЭ № 126-Б, 1956.
13. Жаринов А.В. Скачкообразное увеличение электронного тока на зону в разряде в магнитном поле. — Атомная энергия, 1959, т. 7, вып. 3, с. 215.
14. Жаринов А.В. О диффузии электронов в магнитном поле. Там же, с. 220.
15. Жаринов А.В. Вращающийся плазменный факел в разряде в магнитном поле. — Там же, 1961, т. 10, вып. 4, с. 368.
16. Guthrie A., Wakerling R.K. The Characteristics of Electrical Discharges in Magnetic Field. New-Jork, 1949.
17. A. Simon. Физика горячей плазмы и термоядерные реакции. Доклад № 366. —М.: ГУ ИАЭ, 1959.
18. Жаринов А.В. Изучение поперечного движения ионов в разряде в сильном продольном магнитном поле. — ЖТФ, 1957, т. 27, вып. 8, с. 113.
19. Хилиль В.В. Теория и расчет цилиндрических волноводов, нагруженных диафрагмами. Отчет ИАЭ № 220-Б, 1957.
20. Хилиль В.В. Исследование характеристик импульсного высокочастотного разряда с применением развязывающего устройства. Отчет № 287-Б, 1957.
21. Готт Ю.В., Тельковский В.Г. Метод ионных фольг для определения энергии ионов в высокотемпературной плазме. ЖТФ, 1961, т. 31, вып. 9, с. 1061.
22. Кадомцев Б.Б., Недоспасов А.В. Неустойчивость положительного столба в магнитном поле и «эффект аномальной диффузии». — J. Nucl. Energ. 1960, part C, vol. 1, p. 230.
23. Аретов Г.Н., Васильев В.И., Комельков В.С. и др. Сжатие плазмы быстро нарастающим встречным магнитным полем. Аннот. докл. на конф. по УТС в Зальцбурге (1961 г.). Приложение к журналу «Ядерный синтез», 1962, т. 3, с. 1226.
24. Кварцхава И.Ф., Менадзе Р.Д., Сунадзе К.В. Отчеты по электродинамическому ускорению плазмы. — ЖЭТФ, 1960, т. 30, вып. 3, с. 29.
25. Морозов А.И., Соловьев Л.С. Об ускорении плазмы в коаксиале. — ЖТФ, 1960, т. 30, вып. 9, с. 1104.
26. Лукьянов С.Ю., Подгорный И.М., Чуватин С.А. Исследование процесса электродинамического ускорения сгустков плазмы III. — ЖТФ, 1961, т. 31, вып. 9, с. 1026.
27. Комельков В.С. Об одном возможном механизме выбросов на Cолнце. ДАН СССР, 1962, т. 146, № 1, с. 58.
28. Корлис У. Ракетные двигатели для космических полетов. — М.: ИЛ, 1962.
29. Ионные, плазменные и дуговые ракетные двигатели. — М.: Атомиздат, 1961.
30. Фаворский О.Н., Фишгойт В.В., Янтовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. — М.: Высшая школа, 1970.
31. Плазменные ускорители. Под ред. Л.А. Арцимовича. — М.: Машиностроение, 1973.
32. Васильев В.И., Комельков B.С., Скворцов Ю.В., Церевитинов С.С. Устойчивый динамический плазменный шнур. — ЖТФ, 1960, т. 30, вып. 7, с. 756.
33. Комельков B.C., Скворцов Ю.В., Терещенко В.И., Церевитинов С.С. A dynamical carrent fimament. — В кн.: Труды 5-й Международной конференции по ионизационным явлениям в газах (Мюнхен, 1961 г.). — Амстердам, 1962, т. 2, с. 2191.
34. Скворцов Ю.В., Комельков B.C., Церевитинов С.С. Структура магнитных полей в плазменной струе с собственными токами. — ЖТФ, 1964, т. 34, вып. 6, с. 965.
35. Демичев В.Ф., Матюхин В.Д. Изучение свойств быстродвижущихся сгустков плазмы. — ДАН СССР, 1963, т. 150, № 2, с. 279.
36. Скворцов Ю.В. Распределение тока вдоль электродов импульсного коаксиального инжектора плазмы. ЖТФ, 1966, т. 36, вып. 10, с. 1808.
37. Аретов Г.Н., Васильев В.И., Комельков B.C. и др. Структура плазменных сгустков коаксиального инжектора. — ЖТФ, 1964, т. 34, вып. 7, с. 1191.
38. Борзунов Н.А., Орлинский Д.В., Осовец С.М. Исследование мощного импульсного разряда в конических камерах. ЖЭТФ, 1959, т. 36, вып. 3, с. 717.
39. Бажанова А.Е., Карпухин В.Г., Кархов А.Н., Пистунович В.И. Циклотронное и тепловое излучение плазмы в «Огре». Докл. на конф. по УТС в Зальцбурге (1961 г.). Приложение к журналу «Ядерный синтез», 1962, т. 1, с. 227.
40. Клебанов Ю.Д., Синицин В.И. Инжекция плазмы в вакуум из мощного импульсного разряда. ЖЭТФ, 1961, т. 41, вып. 6, с. 1340; Аннот. на конф. по УТС в Зальцбурге. Приложение к журналу «Ядерный синтез», 1962, т. 3, с. 1226.
41. Морозов А.И. Об ускорении плазмы магнитным полем. — ЖЭТФ, 1957, т. 3, вып. 2, с. 305.
42. Морозов А.И., Соловьев Л.С. О симметричных магнитогидродинамических течениях. — ДАН СССР, 1963, т. 149, № 3, с. 550.
43. Морозов А.И., Соловьев Л.С. Стационарные аксиально-симметричные течения плазмы поперек азимутального магнитного поля. — ЖТФ, 1964, т. 34, вып. 3, с. 429.
44. Морозов А.И., Соловьев Л.С. Плоские течения идеально проводящей сжимаемой жидкости при учете эффекта Холла. — Там же, вып. 7, с. 1141.
45. Морозов А.И., Соловьев Л.С. Об ускорении вращающейся плазмы в аксиально-симметричных каналах. — Там же, с. 1154.
46. Морозов А.И., Соловьев Л.С. Об одном параметре подобия в теории плазменных течений. — ДАН СССР, 1965, т. 164, № 1, с. 80.
47. Морозов А.И., Шубин А.П. Течение плазмы между электродами, обладающей слабой продольной проводимостью. — Теплофизика высоких температур, 1966, т. 3, № 6, с. 827.
48. Сагдеев Р.З. «Ударные» волны в разреженной плазме. — В кн.: Труды 4-й Международной конференции по ионизационным явлениям в газах (Упсала, 1959 г.) — Амстердам, 1960, т. 2.
49. Веденов А.А., Велихов Е.П., Сагдеев Р.З. Ударные волны в разреженной плазме. Докл. на конф. по УТС в Зальцбурге (1961 г.). — Приложение к журналу «Ядерный синтез», 1962, т. 3, с. 1225.
50. Сагдеев Р.З. О тонкой структуре фронта ударной волны, распространяющейся поперек магнитного поля в разреженной плазме. — ЖТФ, 1961, т. 31, вып. 10, с. 1185.
51. Филиппова Т.И., Филиппов Н.В., Журин В.В., Виноградов В.П. Измерение электронной температуры плазмы в мощной ударной волне. — Ядерный синтез, 1961, т. 1, вып. 3, с. 195.

(Продолжение следует)

---

Продолжение. Начало см.: ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2002—2003 гг.