Simulation of Plasma Shell Dynamics of Plasma-Focus Discharge for Various Gases in the Filippov-Type Plasma-Focus Facility

Abstract

Моделирование динамики плазменной оболочки плазмофокусного разряда в различных газах в плазменном фокусе. Цель настоящей работы -численное моделирование движения токонесущей плазменной оболочки (ТПО) плазмофокусного разряда на стадии схождения к оси установки, при использовании различных рабочих газов в установке ПФ-3 -плазменном фокусе типа Филиппова. Для расчётов использована одножидкостная магнитогидродинамическая модель с учётом эффекта Холла вблизи электродов. Предложен подход, позволяющий проводить расчёты для различных газов и их смесей без подбора и изменения расчётных коэффициентов. Моделирование движения ТПО находится в хорошем соответствии с эксперименталь-ными результатами для тяжёлых (Ne, Ar) и лёгких (D2) газов. Смоделировано влияние добавки тяжёлого газа (Хе) к дейтерию на структуру оболочки и динамику сжатия.Ключевые слова: плазменный фокус, численное моделирование, одножидкостная МГД-модель, эффект Холла, магнитозондо-вые измерения, электронно-оптические методы диагностики плазмы. SIMULATION OF PLASMA SHELL DYNAMICS OF PLASMA-FOCUS DISCHARGE FOR VARIOUS GASES IN THE FILIPPOV-TYPE PLASMA-FOCUS FACILITY S.S. Ananyev, S.V. Suslin, A.M. Kharrasov NRC «Kurchatov Institute», Moscow, RussiaThe purpose of this work is numerical modeling of the motion of the current carrying plasma shell (CPS) of a plasma-focus discharge at the final stage of radial compression, using various working gases in the PF-3 facility-the Filippov-type plasma focus. For calculations, a single-fluid magnetohydrodynamic model is used with allowance for the Hall-effect near the electrodes. We have proposed an approach that allows calculations for various gases and their mixtures without selection and variation of the design coefficients. The simulation of CPS motion is in good agreement with the experimental results for heavy gases (Ne, Ar) and light gases (D2). The effect of adding a heavy gas (Xe) to deuterium on the shell structure and compression dynamics was modeled. ВВЕДЕНИЕВысокий интерес к плазменному фокусу (ПФ) уже более полувека поддерживается благодаря тому, что ПФ-разряд сопровождается интенсивными потоками плазмы, а также широкого спектра излучений: нейтронного, электромагнитного во всём диапазоне от СВЧ до жёсткого рентгена, пучков ионов и элек-тронов. Источником излучения является плотная горячая плазма, характерная для Z-пинчей, формиру-ющаяся при схождении токонесущей плазменной оболочки к оси. В связи с особенностью ПФ-разряда, независимо от геометрии ПФ-системы, ТПО имеет вид воронки, что вызывает нецилиндричность фор-мирования пинча. Наблюдалось, что изменение профиля сходящейся ТПО приводит к различным режи-мам работы установки с точки зрения эмиссионных характеристик [1]. В работах [2, 3] и более ранних [4] было показано, что форма ТПО в значительной степени определяет условия вытекания плазмы из области пинча/пинчевания, что, в свою очередь, влияет на степень сжатия плазмы, развитие неустойчи-востей, генерацию высокоэнергичных пучков заряженных частиц, генерацию рентгеновского излучения и нейтронов. Также п...