НОВОЕ ЯВЛЕНИЕ СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА И ПОЛУЧЕНИЕ

196
Л. С. БУРГХАРДТ и Р. X. ЛОВБЕРГ
ЦИТИРОВАННАЯ
ЛИТЕРАТУРА
1. Л . Α . Α ρ ц и м о в и ч, А . М. А н д ρ и а н о в, О. А . Б а з и л е в с к а я ,
Ю . Г . П р о х о р о в
и Н . В . Ф и л и п п о в , Атомная э н е р г и я 3 , 76 (1956).
2. D . A . A n d e r s o n ,
W . R. В а ν е г, S . C o l g a t e , F . С. G i 1 Ь е г t , Z . I s e,
R. V. R у 1 e, R. S. W h i t e, Д о к л а д н а конференции п о ф и з и к е п л а з м ы , В е н е ц и я
(июнь 1957 г . ) ; перевод см. «Проблемы современной физики», № 1 (1958).
3. R. Е. D u n w a y a n d J . A. P h i l l i p s ,
LADC, 2943 (будет о п у б л и к о вано).
4 . Η . Α . Β. B o d i n a n d I. A . R e y n o l d s ,
E n g i n e e r i n g 184, № 4 7 8 1 ,
•538.
5. B B e r g l u n d ,
Nillson,
Ohlin,
S i e g b a h n ,
S u n d s t r o m and
S w e n n e r s t e d t , Nuclear I n s t r u m e n t s , 1, 233.
НОВОЕ ЯВЛЕНИЕ СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА И ПОЛУЧЕНИЕ
НЕЙТРОНОВ В ЛИНЕЙНОМ САМОСЖАТОМ РАЗРЯДЕ
Л. С. Бургхардт и .Р. Ж. Ловберг
Для проверки влияния увеличения диаметра трубы и расстояния
между электродами на свойства самосжимающегося разряда, стабилизированного магнитным полем В,, была создана установка для изучения
линейного разряда под названием «Колумб S-4». В ней была использована
та же конденсаторная батарея (75 мкф, 20 кв), которая применялась
в опытах с магнитными зондами, но индуктивность внешней цепи
была уменьшена до 0,075 мкгн. Разрядная труба представляла собой
фарфоровый («муллит») цилиндр с внутренним диаметром 12,7 см; расстояние между электродами составляло 61 см. Тщательно подобранный цилиндрический обратный токопровод, сделанный из нержавеющей
стали толщиной 1,5 мм, обеспечивал ничтожную задержку во времени нарастания 2-миллисекундного продольного поля (Д.), которое создавалось
внешним соленоидом при разряде через него батареи конденсаторов.
Было предусмотрено радиальное введение магнитных зондов посредине
между электродами.
С момента начала своей работы эта труба продемонстрировала свойства, качественно отличные от наблюдавшихся в предшествовавших
опытах. Первоначальные наблюдения оптических спектров разряда проводились с помощью монохроматора с разрешением приблизительно
в 1 А, направленного вдоль оси трубы. После того как в трубе было
произведено приблизительно 100 разрядов, стало невозможно обнаруживать спектры обычных примесей, таких, как кремний и кислород,
ранее наступления максимума второго полупериода разрядного тока.
Усиление применявшегося фотоэлектронного умножителя было на порядок больше усиления, достаточного при работе на предшествующих
установках. При этом интенсивность линии Н$ была значительной в начальной стадии нарастания разрядного тока и ослабевала до почти
ненаблюдаемой величины вблизи первого максимума тока, оставаясь
слабой вплоть до второго максимума тока, когда она вновь становилась
заметной. Увеличение давления газа после каждого разряда составляло
менее 5%. Условия опыта при вышеприведенных измерениях были
.следующими:
напряжение на конденсаторах
=1,5·10 4 β
Βζ
= 1750 гаусс
давление дейтерия
= 0,04жлг рт. ст.
/max
=2,5-105 а
время до первого максимума тока = 6 мксек
СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА И ПОЛУЧЕНИЕ НЕЙТРОНОВ
В РАЗРЯДЕ
197
При этих условиях производились измерения полей ΒΆ и Βζ с помощью магнитных зондов в течение трех полупериодов тока батареи. Хотя
воспроизводимость показаний зондов от измерения к измерению становилась плохой уже через три микросекунды, вероятно, из-за небольшого·
дрожания столба плазмы разброс в амплитудах
осциллограмм был
все еще достаточно малым, чтобы можно было построить осмысленные
распределения поля и провести вычисления приблизительных давлений
плазмы. На рис. ϊ,α и 1,Ь приведены значения Вь для радиуса 6,4 см
(стенка трубы) и 4,4 см соответственно. На каждом рисунке изображены
наложенные друг на друга осциллограммы и приведен ток батареи конденсаторов. Скорость развертки
составляла 5 мксек/см. Через 3 мксек после начала
разряда обнаруживается неожиданный эффект. В то
время как до этого момента
амплитуда зависела от радиуса, как Иг, что характерно
для всех токов внутри радиуса 4,4 см, такая зависимость нарушается в более
поздние моменты полупериода; в частности, на двух осциллограммах через 10 мксек
после начала разряда амплитуды отличаются больше чем
в два раза. Это указывает
на существование слоя отрицательного тока на внутренней
поверхности
трубы.
Р и с · 1К такому же заключению
можно прийти в результате сравнения амплитуд #а при нуле тока; внутри
трубы полный ток равен нулю, поскольку В§ на радиусе 6,4 см равно нулю,
и в то же время около 5 • 10* а протекает внутри радиуса 4,4 см. Очевидно,
внутри трубы имеет место циркуляция тока. В более поздней стадии
развития разряда, когда ток в центральной части падает до нуля, весь
ток батареи протекает по внешнему слою и последний начинает сжиматься,
так что весь вышеуказанный процесс повторяется. Следует отметить, что
спектр примесей появляется только при сжатии этого второго слоя;
очевидно, за сравнительно долгое пребывание его вблизи стенок в этом
слое накапливаются вещества, выделяемые стенками.
Расчет давлений производился для равновесного состояния посредством использования значений В, и £ц, измеренных через 6 мксек после
начала разряда, т. е. при максимальном токе. Давление плазмы на оси
трубы в этот момент составляло около 12 атмосфер; если предположить,
что в плазме нет примесей и что она сжата до того же радиуса, как и
продольный ток, то температура должна превышать 300 эе.
Поскольку такая высокая температура при предположенной плотности на оси должна привести к легко обнаруживаемому выходу нейтронов, именно порядка 100 см'3 в микросекунду, была проведена серия
опытов со счетчиками. Центр распределения импульсов в пластмассовом
сцинтилляционном счетчике совпадал с максимумом разрядного тока,
а измерения с парафином, помещенным между счетчиком и разрядной
трубой, показали, что это излучение является нейтронным. Обнаруженный выход оказался слишком малым, чтобы привести к активации
198
Л. С. БУРГХАРДТ и Р. X. ЛОВБЕРГ
серебряной фольги счетчика на величину, сколько-нибудь большую фона,
и по известной калибровке счетчика было установлено, что полная интенсивность была меньше 105 на разряд. По числу импульсов в пластмассовых
сцинтилляторах было установлено, что в некоторых разрядах возникало
более 103 нейтронов. К моменту написания настоящей статьи выход
нейтронов еще не был точно измерен. На рис. 2 приведены осциллограммы
импульсов в сцинтилляционных счетчиках для нескольких последовательных разрядов наряду с осциллограммой тока конденсаторов. В этом случае
напряжение на конденсаторах было повышено до 17,5 кв.
Были проведены измерения относительных выходов нейтронов в зависимости от напряжения^батареи конденсаторов Bz, давления дейтерия
и количества примесей в газе.
Выход за полупериод получался посредством интегрирования анодного тока фотоумножителя по этому времени.
Для каждого состояния системы производилось 10 измерений. На рис. 3, 4, 5 и 6 относительные выходы в каждом
разряде изображены в виде
точек, в то время как их средние значения представлены
горизонтальными черточками.
Нужно заметить, что больш а я
Рис. 2.
часть результатов, приведенных на этих рисунках,
была получена при условиях, более подходящих для возникновения
нейтронов, чем те, которые имели место при измерениях магнитного
поля. Однако значительное число импульсов возникало в сцинтилляционном счетчике при напряжении на батарее конденсаторов в 15 кв
и магнитном поле В. в 1750 гаусс; в типичном случае цилиндрический
пластмассовый сцинтиллятор размерами 12,5x12,5 см, помещенный на
расстоянии 20 см от центра трубы, давал около 10 отсчетов на разряд.
При таких условиях, как на рис. 2, нейтроны образуются в интервале
времени длительностью в 4 мксек вблизи максимума тока.
В то время как конфигурация разряда для случая измеренных распределений поля (напряжение батареи 15 кв, 2?ζ=1750 гаусс), очевидно,
стабильна относительно неустойчивости изгиба, а конфигурация разряда
при 16 кв и 1500 гауссах кажется стабильной, судя по первоначальным
зондовым измерениям, однако нельзя заключить, являлся ли разряд
стабильным при больших отношениях напряжения батареи к В..
Необходимо поэтому допустить возможность того, что выход нейтронов при минимальных значениях Вг и максимальных напряжениях
батареи является следствием какого-нибудь механизма ускорения, связанного с неустойчивостью. Даже в конфигурации, для которой приведены
осциллограммы Βζ, сильные неоднородности локального поля, возникающие в результате пульсации полей после достижения током максимальной
величины, могли бы обусловить механизм ускорения частиц. Тем не менее
ясно, что изменение выхода в зависимости от V и ΒΎ находится в соответствии с термоядерным происхождением нейтронов, поскольку степень
•сжатия плазмы и плотность тока чувствительны к изменению этих параметров. Нижний предел давления газа определялся невозможностью
зажечь разряд в трубке при давлениях, меньших 0,04 мм рт. ст. Примесь
5% воздуха к дейтерию уменьшала выход нейтронов больше чем в 10 раз.
выход
1
ι
§
ι
&
1
Рис. 5
··· · 4 · · ·
•
,
к,
А>/ж^ нейтроноб (произбольные единицы)
<
•
WOO
;·
Рис. ^
ерху). Рис. (5 (внизу).
·
I
··· *
·
.
Μ
• · · ·1»
4· ·
•4··
«* ^т ·
. . . . . . .
8
Рис
Выход нейтронов (произвольные единицы)
&
нейтронпб (промбольные единицы)
* ·1
t
.
.
.
-
^
•
.
.
.
.
Г 9
N
·
*
200
Ж. ХОНСАКЕР, X. ОШЕР, Ж. А. ФИЛЛИПС и Ж. Л. ТАК
Работы по определению устойчивости разряда при других условиях
опыта продолжаются. Также будет предпринята попытка измерения
степени энергетической изотропии нейтронов, поскольку анизотропное
энергетическое распределение позволило в прошлом определить, что
полученные в некоторых установках нейтроны были не термоядерного
происхождения2.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. L. С. B u r k h a r d t , К. L. D u n w a y , J. W. M a t h e r , Т. A. P h i l l i p s ,
G. A. S a w y e r , Т. F. S t r a t t o n , Ε.
J. S f o v a l l and T. L. T u c k J.
:
Appl. Nucl. phys 28, 579 (1957).
2. R. E. D u n w a y a n d T . A. P h i l l i p s , 1μο& Alamos, Report. LADC 2943 (будет
опубликовано).
'
НЕЙТРОНЫ ИЗ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО
ТОРОИДАЛЬНОГО
САМОСЖИМАЮЩЕГОСЯ РАЗРЯДА
Ж. Хонсакер, X. Ошер, Ж. А. Филлипс и Ж. Л. Так
Гидромагнитные расчеты, основанные на идеализированных моделях
самосжимающегося разряда, показывают, что стабильность может быть
достигнута в случае создания центрального аксиального магнитного поля
в камере с проводящими стенками, если налагаются определенные
органичения на степень сжатия плазмы и на величину 8 πρ/Β2 (ρ —
давление плазмы) х " 5 . В действительности задача более сложна, чем
представляется на основании этих простых моделей, особенно если учитывать конечную толщину граничного слоя между внешним удерживающим
магнитным полем В& и внутренним стабилизирующим магнитным полем В,.
Лос-Аламосские измерения, проведенные с помощью магнитных
зондов в прямых трубах 6 , показали реальность удержания плазмы давлением при одновременной значительной стабилизации разряда. Осуществление подобного удержания в тороидальной геометрии оказалось неожиданно
трудным, частично из-за технических трудностей создания градиентов индуцированного высокого напряжения, частично же из-за наличия неизбежных неоднородностей электрических и магнитных нолей по сечению разрядной трубы. После изготовления в течение нескольких лет ряда пробных конструкций в середине 1957 г. начала работать модель «Перхапсатрон S-3» (Perhapsatron), в которой, как показали измерения с магнитными зондами, имел место более симметричный отрыв разрядного канала
от стенок. Эта установка изображена на рис. 1.
На рис. 2 приведены результаты измерений магнитного давления,
проведенных на «Перхапсатроне S-3» для определения давления плазмы
(пкТ) при длительностях импульсов 4 мксек (сила тока 2,0 · ΙΟ5 α) и 6 мксек
(сила тока 2,3 · 105 а). Эти кривые свидетельствуют о проникновении
магнитного поля В$ в направлении оси разряда при некотором увеличении
плотности удерживающего тока вблизи оси и уменьшении ее к периферии
разряда. Величина пкТ оценивается с помощью уравнения выравнивания
давлений
η
2
где Б = 5 | , г1 и г2— радиусы кривизны полей ΒΆ и Вг соответственно,
а С — константа, определенная в состоянии, для которого значение пкТ
известно. Вычисления величины пкТ неточны, поскольку, во-первых,