フランスのZマシン
マチアス・バヴァイの博士論文
2006年6月17日オンライン公開
この論文は非常に詳細な資料を含んでいます。
http://mathias.bavay.free.fr/these/sommaire.html
タイトル：
サブマイクロ秒領域における磁束の圧縮による高圧およびX線の生成
2002年7月8日、グラマット軍事実験センター（CEG、ロ・ド・ロート）にて口頭防衛
グラマット発電装置（上図参照）は、250万アンペアの電流パルスを800ナノ秒の期間で供給可能である。
グラマットECF電力発生装置
拡大図では、装置の直径が約20メートルであることがわかる（サンディアのZマシンは約33メートル）。
拡大図
グラマットECF装置の中央部
バヴァイが考案し、グラマットおよびサンディアの発電装置で実証された構成は非常に独創的である。ソ連は、化学爆薬が電気導体（銅やアルミ）で構成された「リナー」に圧力を加えることで、そのリナーが内向きに収縮（インプロージョン）し、その内部に事前に電気放電によって形成された磁場を圧縮する「磁束圧縮」方式を考案していた。バヴァイの博士論文で提唱されたアイデアは、このリナーを「線状」にし、磁束圧縮のための外部圧力（化学爆薬によるもの）を「磁気圧力」に置き換えることである。この構想には以下の2つのポイントがある：
- より軽量で慣性の小さいリナーを使用する
- エネルギーをすべてリナーに伝達させる。磁気ガスは「慣性ゼロ」であるため、エネルギー損失が最小限に抑えられる。
この結果、2段階の圧縮装置が得られ、その構成には「大きなリナー」と「小さなリナー」が2つ存在する。これは、サハロフのプラズモイド砲を「閉じた状態」にした場合に得られるものにほぼ等しい。
サハロフのプラズモイド砲（改造版）
元の図式に戻る。電気放電により「カッスル」A内に磁場が生成される。その後、左側の爆薬が点火され、銅製リナーが膨張する。
銅製のコーンがカッスルを閉じ、内部の磁場を閉じ込めている。この磁場は「圧縮」され、アルミ製リングが銅製の「砲身」と中央リナーの間にある空間に押し出されようとする。しかし、新しい構成では、このリングの押し出しが抑制され、高速で閉塞された砲身の先端に衝突する。これにより、強い圧力が発生する。当然、銅製リングと右側の灰色の閉塞部の間には真空状態が確保されている。アルミリングは、通過中に蒸発し、プラズマに変化する。これは、第二のリナーとして機能する。中央リナーもまた、塑性変形を受ける。
バヴァイの論文に戻る。上記の構成要素を、異なる形で再構成している。前述したように、2つのリナーは「線状」であり、プラズマに変化する。装置A内に、閉鎖される前にある程度の磁気圧力が発生している必要がある。次に、爆発によって発生するガスを、磁気圧力で置き換える。その結果、以下の構成となる。
マチアス・バヴァイの論文における構成
理解を深めるためには、ここに示された2つの段階を1枚の図にまとめる必要がある。まず、バヴァイの装置の初期状態を示す。
マチアス・バヴァイの装置（初期状態）
2つの電気放電が存在する。1つは紫で示された「一次放電」、もう1つは赤で示された「二次放電」。これら2つの放電は、共軸でトーラス形状の2つの空洞内に磁場を生成する。円筒形のリナーが存在するが、これは実際には最初の線状フィラメント群で構成されている。バヴァイの論文によれば、これらの線が強い電流を流れるとき、瞬時に金属プラズマに変化するわけではない。むしろ、非常に長い寿命を持ち、その移動時間の80％程度まで生存する。これがサンディア実験における軸対称性維持の鍵である。この物体がインプロージョンする際、それは単なる線の並びでも、単なるプラズマ幕でもなく、「両者の混合体」である。この現象はマレコム・ヘインズによって理論化され、「シェル形成」と呼ばれている。
シェルの形成
放電開始直後、線が上部に現れる。表面が徐々に昇華し始める。まだ固体の線は金属プラズマの膜に囲まれている。バヴァイの論文には、線の中心部は冷たい固体のまま残ると記されている。外周部が蒸発し、金属原子からなるプラズマが広がる。これらのプラズマ円筒が合流するとき、「冠」と呼ばれる構造が形成される。バヴァイは、この冠がインプロージョン時間の80％経過時に形成されると述べている。これは、その間、電流が個々の線を独立して流れる状態であることを意味する。プラズマ（電離ガス）では、局所的な電流密度や磁場強度の変動によりMHD不安定性が生じる可能性があるが、線状フィラメントの幕ではそのような現象は発生しない。
論文によれば、金属蒸気の膨張速度はタングステンで10,000 m/s、アルミで22,000 m/sである。線の直径（240本）のオーダーは10ミクロン。
ステンレス鋼の線の膨張速度は見つけることができなかった。サンディアの研究者たちは、インプロージョン終了時に20億度に達する温度に驚いた。その理由の一つとして、ステンレス鋼蒸気の膨張速度が遅いため、不安定性が生じる「冠」の形成が遅れる可能性がある。前述したように、線は「冷たい中心部」を保持しているため、軸に到達する際には実質的に「線」の状態であり、プラズマの線はインプロージョンの最後の瞬間に形成される。その結果、衝突時の径方向速度は、数百km/sではなく、1000km/sに達する可能性がある。これにより、材料の変化に伴う温度上昇が生じる。この点は未解決の課題である。
時刻tmに、プラズマ膜が合流する。これにより、2つの利点が得られる。この閉鎖により、磁場に対して「気密性のある仕切り」が形成され、また、方位角方向の不均一性がMHD不安定性の増大を抑制し、プロセスの軸対称性を維持する。
バヴァイの論文の図式を再構成した状態に戻る。
バヴァイの装置（クローバーバー後）
この放電では、コンデンサがインダクタンスを持つ回路に放電する。3次元的に見れば、紫と赤の2つの電流膜はトーラスの母線に沿った形状をしている。これは「誘導コイル」のようなものである。フィラメント＋金属プラズマの幕が軸に近づくと、バヴァイが「ギャップ」と呼ぶ空間が閉じられる。これにより、この「コイル」は元のコンデンサから切り離される。これは、前述のドキュメント全体で言及された「クローバーバー」のテーマと一致する。赤い電流は、さらに……