Исследования на плазменных фокусах в развивающихся странах

ФГУП «Российский федеральный ядерный центр – 
Всероссийский научно-исследовательский институт 
экспериментальной физики» 
 
 
 
 
 
 
 
А. Е. Дубинов, Л. А. Сенилов 
 
 
Исследования 
на плазменных фокусах 
в развивающихся странах 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2013 

УДК 533.952 
ББК 22.333 
         Д79 
 
 
Д79 
Дубинов, А. Е., Сенилов, Л. А. 
Исследования на плазменных фокусах в развивающихся странах /
А. Е. Дубинов, Л. А. Сенилов. – Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2013. –
161 с.: ил. 
 
ISBN 978-5-9515-0222-3 
 
Рассмотрен современный уровень развития техники, исследований и применений на ПФ в развивающихся странах Азии, Африки и Латинской Америки. 
Представлена сводка имеющихся установок ПФ. Приведены результаты исследований работы ПФ: генерация электронных и ионных пучков, нейтронов, МРИ и ЖРИ, 
разряда в ПФ. Показаны примеры применения ПФ в обработке материалов, рентгенографии, нейтронографии, генерации короткоживущих изотопов, медицине. 
Книга рассчитана на специалистов в области электрофизики, физики плазмы 
и ядерной физики. 
 
УДК 533.952 
ББК 22.333 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9515-0222-3                                     © ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2013 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Введение .………..……………………………………………..…….………….. 
5

Глава 1. Базовые конструкции и принцип действия ПФ .………….. 
7
1.1. Немного истории ..…………………………………………........ 
7
1.2. Ф-камера ПФ Филиппова ..……………………………………… 
8
1.3. М-камера ПФ Мейзера ..……………………………………….. 10
1.4. Сравнение Ф- и М-камер ПФ ..……………..…………………... 
11
1.5. Некоторые крупнейшие установки ПФ в развитых странах ..... 
12
1.6. Скейлинги ПФ ……..……………………………………………. 17

Глава 2. Установки с ПФ в развивающихся странах: 
Юго-Восточная Азия, Ближний Восток, Латинская Америка, 
Африка ………..…….………..…….………..…….………..…….………..…… 18
2.1. Истоки: международная коллаборация развивающихся стран 
                         в исследованиях и применениях ПФ …………………………... 18
2.2. Сингапур .…………………………………………………..…… 21
2.3. Малайзия ..………………………………………………………. 26
2.4. Южная Корея .………………………………………………....... 26
2.5. Индия ..………………………………………………………….. 28
2.6. Китай …..………………………………………………………… 31
2.7. Иран .……………………………………………………………. 32
2.8. Пакистан ..……………………………………………………….. 36
2.9. Сирия ….………………………………………………………… 39
2.10. Турция ………………………………………………………..... 40
2.11. Египет …………………………………………………………… 41
2.12. Зимбабве ……………………………………………………….. 41
2.13. Аргентина ……………………………………………...……… 42
2.14. Мексика ………………..……………………………………… 45
2.15. Чили .…………………………………………………………… 46

Глава 3. Исследования происходящих в ПФ физических процессов … 50
3.1. Исследование структуры разряда ……………………………… 50
3.2. Исследование области высокотемпературной плазмы ПФ …… 
57
3.3. Исследование генерации нейтронов в ПФ ……………………. 
60
3.4. Исследование генерации рентгеновского и УФ-излучения .…. 
68
3.5. Исследование пучков заряженных частиц, формируемых в ПФ … 
79
3.6. Исследования влияния материалов и формы электродов 
                         и изолятора ПФ на его работу .………………………………… 
 
84

Исследования на плазменных фокусах в развивающихся странах 

 

4

Глава 4. Применения ПФ в технологиях в развивающихся странах ... 99
4.1. Обработка материалов с помощью ПФ …………………..…… 
99
4.2. Рентгеновская и электронная микролитография ……………… 127
4.3. Применение ПФ в рентгенографии …………………………… 133
4.4. Применение ПФ в нейтронографии ……….…………………... 138
4.5. Получение короткоживущих изотопов ………………………... 139
4.6. Применение ПФ в медицине ...………………….……..………. 144

Заключение ………………………...…………………………………………… 148

Список литературы .……….…………………………………………………… 149

 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Прошло уже почти полвека с тех пор, когда был изобретен плазменный 
фокус (ПФ) [1, 2]. Про него написано неисчислимое количество статей, обзоров и книг, но исследования ПФ не потеряли актуальность и сейчас. 
Во второй половине ХХ века установки с ПФ получили наибольшее развитие в ведущих национальных лабораториях СССР (Курчатовский институт, 
РФЯЦ-ВНИИЭФ, ФИАН, СухФТИ и др.) и США (Лос-Аламос, Сандия, Ливермор, университеты Иллинойс, Мэриленд и др.), а также ряда стран Западной Европы (Фраскати, Италия; университеты Дюссельдорфа, Штутгарта, Дармштадта 
и др., ФРГ; Империал Колледж, Великобритания; Институт физики плазмы и лазерного микросинтеза, Польша и др.) и Японии (университеты Токио, Осака, Тояма, Гунма и др.). В первые годы исследований считалось, что основным предназначением ПФ является осуществление импульсного термоядерного синтеза. Кроме 
этого, предполагалось их применение в качестве интенсивных нейтронных, 
электронных, рентгеновских, γ- и УФ-источников для задач, связанных, прежде 
всего, с оборонными целями. Обзоры достижений в развитии энергоемких ПФ 
представлены в [3–10]. В этих работах явно прослеживаются следующие тенденции: стремление к увеличению общей энергетики питания ПФ, тока разряда, выходной энергии и мощности, выхода нейтронов и излучения, которые в конечном итоге приводят к росту массы и габаритов установок с ПФ в целом. В национальных лабораториях СССР и США было создано несколько гигантских 
установок мультимегаджоульного класса, на которых были получены токи в несколько мегаампер и выход нейтронов до 1011 за импульс и более [10–15]. Тогда 
появились и различные скейлинги, пессимистичные и оптимистичные для достижения УТС, которые были основаны на результатах многочисленных экспериментов. Они позволяют оценить, во сколько раз нужно поднять энергетику 
питания и ток разряда, чтобы получить термоядерное зажигание. 
Но в последнее десятилетие ХХ века и первое десятилетие ХХI эти тенденции дополнились прямо противоположными: уменьшение энергетики питания и тока разряда, обеспечение возможности работы в импульсно-периодическом режиме с большой частотой повторения, упрощение конструкции камер ПФ, их миниатюризация. 
Эта переориентация вектора развития ПФ была связана с тем, что обозначились новые применения их в технологиях электроники, синтеза новых материалов, рентгенографии, медицины и других направлений, не связанных с оборонной тематикой. При этом возрос спрос на настольные (table-top), серийные 
установки с ПФ, не требующие для их обслуживания высококвалифицированного 
персонала и сложных систем диагностики плазмы и излучений. 
Примерно в эти же годы список лабораторий, разрабатывающих и исследующих ПФ, сильно расширился. Теперь этим занимаются в странах, где нет 
давних традиций в мощной импульсной электрофизике, но в которых имеется 

Исследования на плазменных фокусах в развивающихся странах 

 

6

развитый технологический потенциал в области микроэлектроники и синтеза материалов. К ним, прежде всего, следует отнести страны Юго-Восточной Азии: 
Сингапур, Малайзию и Южную Корею. Исследования физики и применения 
ПФ ведутся также в странах Латинской Америки: Аргентине, Мексике, Чили; 
странах Ближнего Востока: Иране, Пакистане, Сирии и Турции. На африканском 
континенте аналогичные изыскания проводятся в Египте, Зимбабве и Нигерии. Наметился прогресс в этом направлении в Китае и Индии, связанный со 
стремительным ростом экономики этих стран. Работы указанных государств 
весьма многочисленны, но они зачастую опубликованы в малотиражных и 
труднодоступных региональных или специальных изданиях, поэтому в существенной части неизвестны широкому кругу специалистов. 
Эти обстоятельства определили цель данной книги: познакомить специалистов с результатами работ по ПФ, полученными в последние годы в указанных 
странах. Здесь представлен анализ исследований и применений ПФ, который основан на журнальных публикациях примерно с 1985 г. и по настоящее время. 
Структура книги следующая. Она ориентирована на подготовленного читателя, знакомого с основными идеями Z-пинчевых систем с плотной высокотемпературной плазмой и, в частности, с ПФ, но мы сочли уместным сначала 
очень кратко напомнить основные конструкции и принцип действия ПФ в главе 1. Там же описаны некоторые крупные установки США, стран Западной Европы и СССР. В главе 2 рассмотрены вопросы международного научного содружества в области разработки, исследований и применений ПФ, немало способствующего прогрессу в развивающихся странах, представлены особенности разработанных там установок с ПФ и построены графики, отображающие скейлинги выходных параметров. В главе 3 описаны результаты физических исследований, проводимых с ПФ, которые направлены на изучение структуры разряда и области высокотемпературной плазмы, изучение особенностей генерации и параметров нейтронного, рентгеновского, УФ- и γ-излучений и пучков 
заряженных частиц. В главе 4 показаны многочисленные примеры технологических применений этих установок. 

ГЛАВА 1. БАЗОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПФ 
 
1.1. Немного истории 
 
25 апреля 1956 г. И. В. Курчатов прочитал лекцию в английском научно-исследовательском атомном центре в Харуэлле (рис. 1). В ней он приоткрыл завесу 
секретности над советской термоядерной программой исследований. Фактически, 
эта историческая лекция послужила отправной точкой открытой международной 
научной кооперации ведущих стран по осуществлению управляемого термоядерного синтеза. Лекция была сразу же опубликована в [16]. В этой работе И. В. Курчатов очень подробно осветил последние результаты исследований импульсных 
линейных самосжатых разрядов (так называемых Z-пинчей) в дейтерии и других 
газах, получаемых при разрядке мощной конденсаторной батареи на газоразрядный 
промежуток при токе от 100 кА до 2 МА. Оказалось, что такие разряды генерируют очень жесткое рентгеновское излучение (300−400 кэВ) при напряжении 
на электродах всего 10 кВ, а в разрядах в дейтерии были получены и нейтроны. 
 

 

Рис. 1. И. В. Курчатов (в центре, с бородой) во время визита в Харуэлл  25 апреля 1956 г. 
(слева – Н. С. Хрущев, справа – Н. А. Булганин, напротив – Дж. Кокрофт) (фотография 
взята из http://www.jet.efda.org/jet/news/2010/04/lecture-of-i-v-kurchatov-at-harwell/) 

Исследования на плазменных фокусах в развивающихся странах 

 

8

Однако детальные исследования показали, что регистрируемые нейтроны 
имеют не термоядерное происхождение, а генерируются в результате другой 
физической причины – ускорения ионов на перетяжках пинча. Было установлено, 
что эти перетяжки развиваются в результате неустойчивости плазменного столба. 
Более подробно, чем в [16], эти результаты представлены в [17, 18]. Из [16 –18], 
в частности, следовало, что: 
– токовая плазменная оболочка цилиндрического столба плазмы, ускоряемая собственным магнитным полем разряда к оси, имеет малую длину разгона 
и проходит эту длину за очень короткое время, существенно меньшее по сравнению с длительностью импульса разрядки конденсаторной батареи. По этой 
причине на разгон оболочки тратится малая часть энергии батареи, т. е. такой 
энерговклад в разряд неэффективен. Импульс питания Z-пинча должен быть весьма 
коротким, что можно обеспечить с помощью специальных высоковольтных коммутаторов, обрезающих или обостряющих импульс разрядки; 
– основным препятствием достижения условий термоядерного горения явилось наличие тяжелых примесей, приносимых в плазму с близкорасположенных 
стенок изолятора. Эти примеси существенно охлаждали плазму за счет излучения. 
А как же тогда использовать весь импульс конденсаторной батареи для продолжительного разгона оболочки с целью достижения ее максимальной кинетической энергии? И как устранить негативное влияние близкорасположенного 
с областью ПФ изолятора? 
На эти две проблемы, конечно же, сразу же обратили внимание и в СССР, 
и в США. Стало понятно, что задачи могут быть разрешены путем отдаления изолятора и области формирования плазменной оболочки от оси схождения оболочки. 
Как оказалось, Н. В. Филиппов (в СССР) [1] и Джозеф Мейзер (J. Mather) 
(в США) [2] почти одновременно пришли к идее ПФ. Они изобрели каждый свою 
разрядную камеру, получившие название камер ПФ Филиппова и Мейзера соответственно. Иногда ПФ называют в научной литературе нецилиндрическим пинчем. 
Добавим, что существуют и другие по форме камеры (например, сферические камеры ПФ [6]), однако их применение ограничено, как правило, одной лабораторией. 
В дальнейшем мы будем пользоваться следующими обозначениями: М-камера – камера типа Мейзера с цилиндрическим катодом; Мс-камера – камера 
типа Мейзера с катодом, состоящим из нескольких стержней; Ф-камера – камера 
типа Филиппова. 
 
 
1.2. Ф-камера ПФ Филиппова 
 
Примерно в 1955 г. Н. В. и Т. И. Филипповы разработали камеру, в которой изолятор был защищен от воздействия высокотемпературной плазмы пинча. 
После нескольких лет интенсивных исследований ПФ они представили доклад 
на конференции в Зальцбурге в 1961 г. [19]. В их докладе, в частности, сообщалось о выходе 1010 нейтронов/импульс. 
Форму камеры, известной теперь как камера ПФ Филиппова, и принцип 
ее работы показывает рис. 2 (см. также цветную вкладку). 

Глава 1. Базовые конструкции и принцип действия ПФ 
9 

 

Рис. 2. Форма Ф-камеры ПФ и ее работа: а – стадия поверхностного разряда; б – стадия 
отрыва плазменной оболочки от изолятора; в – стадия схождения оболочки; 
г – заключительная стадия образования плазменного фокуса (рисунок авторов) 
 
Поясним, как работает ПФ на основе Ф-камеры. При срабатывании ключа 
на цилиндрической поверхности изолятора возникает цилиндрическая плазменная 
оболочка поверхностного разряда конденсаторной батареи (рис. 2,а). Под действием магнитного давления тока в тороидальном контуре плазменная оболочка отрывается от изолятора (рис. 2,б) и, ускоряясь, огибает анод (рис. 2,в). При этом 
оболочка двигается сквозь газ низкого давления, ионизуя его. Процесс захвата 
ионизуемого газа оболочкой называется процессом снежного плуга. На заключительной стадии плазменная оболочка схлопывается, образуя на оси камеры 
высокотемпературную плазму ПФ (рис 2,г), являющуюся источником излучения. 
Из рис. 2 видно, что область ПФ и поверхность изолятора спрятаны «за углом» друг от друга так, что угол анода является естественной защитой изолятора 
от излучений ПФ. Этим решается указанная выше проблема исключения примесей, поступающих с изолятора под действием излучений в область ПФ. 
А протяженная область ускорения плазменной оболочки, в которой большая часть движения оболочки происходит в радиальном направлении, решает 
и другую проблему – согласования длительности процесса разрядки конденсаторной батареи со временем движения оболочки. Существенно большее время работы ПФ по сравнению с прямыми Z-пинчами позволяет также гораз- 
до проще, практически без обострения, согласовывать камеры ПФ с такими 
принципиально «длинноимпульсными» источниками питания, как, например, 
взрывомагнитные генераторы. 

Исследования на плазменных фокусах в развивающихся странах 

 

10

Рис. 3. Н. В. Филиппов с установкой ПФ 
в Курчатовском ИАЭ (фотография взята 
из http://en.wikipedia.org/wiki/Dense_plasma_focus)
 

 
 
За несколько последних десятилетий исследований форма и конструкция Ф-камеры ПФ практически не изменились, Ф-камеры отличаются друг
от друга только размерами. 
На рис. 3 представлена фото
графия пионера ПФ-систем – Н. В. Филиппова рядом с современной установкой ПФ на основе Ф-камеры в Курчатовском ИАЭ. 
 
 
1.3. М-камера ПФ Мейзера 
 
Другим путем пришел к ПФ американец Дж. Мейзер. Он исходил
из популярной тогда идеи коаксиальной плазменной пушки (плазменного ускорителя) Маршалла [20].
Мейзер сообразил, что если организовать геометрию электродов на торце плазменной пушки должным образом, то здесь также можно получить схлопывание плазменной оболочки с образованием высокотемпературной плазмы [21]. 
На рис. 4 (см. также цветную вкладку) показаны форма и процесс движения плазменной оболочки в камере плазменного ускорителя – М-камере ПФ. 
Основное ее отличие от Ф-камеры заключается в том, что большая часть процесса ускорения плазменной оболочки происходит в аксиальном направлении. 
 

 

Рис. 4. Форма М-камеры ПФ и ее работа: а – стадия поверхностного разряда; б – стадия 
отрыва и ускорения плазменной оболочки от изолятора; в – стадия схождения оболочки; 
г – заключительная стадия образования плазменного фокуса (рисунок авторов) 

Глава 1. Базовые конструкции и принцип действия ПФ 
11 

На рис. 5 представлена фотография исследователей ПФ, среди которых 
пионер ПФ США – Дж. Мейзер. 
 

 

Рис. 5. Исследователи ПФ; в первом ряду третий слева – Дж. Мейзер (фотография взята 
из www.plasmafocus.net/IPFS/Papers/keynoteaddressIWPDA09.doc) 
 
Впоследствии было выяснено, что ПФ будет работать гораздо стабильнее, 
если сплошной цилиндрический катод в М-камере заменить на совокупность катодных стержней, установленных вдоль образующих цилиндра, охватывающего 
цилиндрический анод. Так появилась Мс-камера ПФ. 
 
 
1.4. Сравнение Ф- и М-камер ПФ 
 
Для разработчиков установок ПФ на начальном этапе возникает проблема выбора базовой конструкции камеры: что лучше, Ф-, М-камера или какаянибудь другая камера для той или иной практической задачи применения ПФ? 
К сожалению, здесь нет однозначного рецепта для удачного выбора камеры. 
Для корректности подобного сравнения для разных установок, прежде всего, 
должны быть гарантированы одинаковые (по эффективности) условия питания ПФ, 
что соблюсти практически невозможно. 
Тем не менее, в литературе встречаются попытки провести подобные сравнения. В таблице в качестве примера приведены экспериментальные данные сравнения Ф- и М-камер ПФ для целей генерации нейтронов, представленные в [22]. 
Из них следует, что ни у одной из камер нет заметного преимущества, а расхождения по нейтронному выходу можно списать на неполное достижение оптимальных условий питания.