Z-PINCH HULLÁMVEZETŐ PLAZMA VIZSGÁLATA Kiss Mátyás, Szász János, Sapolov Anatolij, Sánta Imre, Kuhlevszkij Szergej Fizikai Intézet, Pécsi Tudományegyetem, H-7624 Pécs, Ifjúság útja 6. Bevezetés: A PTE Fizikai Intézet laboratóriumában megépítettünk egy kapilláris Z-pinch plazmakeltő rendszert. A gerjesztéshez 200 kV feszültségre töltött kondenzátorból nyert 30 kA-es, néhány tíz ns felfutású áramimpulzust használtunk.. Amint áram kezd folyni a plazmán keresztül, az ionok összehúzódnak az áram indukált mágneses térben fellépő Lorentz erő hatására. Feltételezzük, hogy az áram – a folyamat első szakaszában - egy irányba fog folyni. Az indukció feltétele a változó mágneses mező, ehhez az áramot időben folyamatosan növelni kell. Ekkor a plazma elkezd összehúzódni. Az összehúzódást akadályozza a plazma egyre növekvő „belső” nyomása, ami ellensúlyozza a külső mágneses nyomást. A kapilláris kisülés kezdetekor, az átütés pillanatában (néhány ns-ig) szeparálódnak a töltések, sérül a kvázineutralitás. Ez a kapilláris gázkisülések egyik jellegzetessége. Ekkor az elektronok szinte teljesen eltávolodnak az ionjaik teréből, majd a Coulomb kölcsönhatás újból semlegesíti a plazmát. A Z-pinchben kialakuló hullámvezető olyan alakzat, amiben az elektromágneses hullámok képesek irányítottan haladni. A plazma hullámvezető kevésbé függ az átvinni kívánt frekvenciától, ami előnye a hagyományos dielektrikum hullámvezetőkhöz képest. A hullámvezetés mechanizmusa az úgy nevezett gradiens szál típusú, ahol a törésmutató folyamatosan változik. A Z-pinch plazmában a hullámvezetés egyik szükséges feltétele a parabolikus elektron sűrűség eloszlás megvalósítása. Akkor teljesülhet, ha a kapilláris plazma tengelye mentén minimális, a fal közelében pedig maximális az elektron sűrűség. A „magban” a sugárzási módus veszteség nélkül vagy alacsony veszteséggel terjedhet, míg a fal közelében keletkező termikus elektronokból álló „köpenybe” a tér csak kis mélységig képes nagy amplitúdóval behatolni, ezért a sugárzás reflektálódik. Numerikus számítások : A hullámvezetés minőségének jellemzésére bevezettük az alábbi mennyiséget: A h, mint a hullámvezető minőség jó mutatószámnak bizonyult, ami különböző paraméterű plazmák esetében is független összehasonlítási alapot képez. Olyan sűrűség profilt tekintünk „jobbnak”, amelynek az elektron gradiense magasabb h hullámvezető minőséget eredményez. 2.a Ábra, Hidrogén hullámvezető plazma elektronsűrűség fejlődése. és 2.b. A h érték időbeli változása. 3.a Ábra, az időben „legstabilabb”13-31ns-ig jó minőségű - és 3.b a „legjobb” 54-57 % h értékű Argon hullámvezető plazma elektronsűrűség fejlődése. Plazma hullámvezető: Összefoglalás : A Z-pinch hullámvezető plazma felhasználható lehet a Magyarországon készülő ELI (Extreme Light Infrastructure) részegységeként nagy energiájú elektronok, ionok keltése és gyorsítása céljából. A projekt a HELIOS (ELI_09-1-2010-0013) pályázat támogatásával valósult meg. 1.a ábra, a plazma hullámvezető párhuzamos - és 1.b ábra ferde sugarak esetén. Hivatkozások: [1] G.Almási, M.Kiss, J.Szász, Sz.Kuhlevszkij, I.Sánta, S.Szatmári, Method and apparatus for syncronized starting of soft X-ray laser, Szabadalmi bejegyzés Amerikai Egyesült Államok (2014), Lajstromszám: US 8,792,522 B2 [2] J. Szasz, M. Kiss, I. Santa, S. Szatmari and S.V. Kukhlevsky, Contrib. Plasma Phys., 52, 770 (2012). [3] J. Szasz, M. Kiss, I. Santa, S. Szatmari, S.V. Kukhlevsky, Magnetoelectric confinement and stabili- zation of Z-pinch in soft-x-ray Ar+8 laser, Phys. Rev. Lett., 110:(18) Paper 183902. 4 p. (2013). A törésmutató változás a plazma sugár mentén: A hullámvezetés szükséges feltételét úgy állapítottuk meg, hogy legalább egy modus kialakulhasson. Ha a becsatolni kívánt fény frekvenciája, nagyobb plazma hidromagnetikus frekvenciájánál akkor a tranziens modus közelítő értéke arányos a hullámvezető hosszával és a hullámvezető minőség négyzetgyökével. Z-pinch plazmakeltő rendszer : 4. Ábra : plazmakeltő rendszer elvi rajza és kísérleti megvalósítása