Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Введение
• Глава 1. Литературный обзор
• 1.1 Использование косвенных методов рентгеновской диагностики плазмы
• 1.2 Использование рентгеновской камеры-обскуры
• 1.3 Метод поглотителей
• 1.4 Метод К-краевых фильтров. Метод Росса
• 1.5 Совместное применение метода поглотителей и камеры обскуры
• 1.6 Применение камеры-обскуры для оценки размеров точечного источника плазмы
• 1.7 Применение косвенных методов рентгеновской диагностики плазмы лазерно-индуцированных вакуумных разрядов при лазерном инициировании
• 1.8 Применение камеры обскуры для исследования пространственных характеристик сильноточного разряда на парах металла
• Глава 2. Описание экспериментальных установок
• 2.1 Экспериментальная установка "Зона-2" НИЯУ МИФИ
• 2.2 Экспериментальная установка "ПИОН" НИЯУ МИФИ
• 2.3 Лабораторный стенд для генерации лазерной плазмы
• Глава 3. Описание экспериментов и анализ эксперентальных данных
• 3.1 Эксперименты на микропинчевых установках "ПИОН" и "Зона-2"
• 3.2 Эксперименты с лазерной плазмой
• Заключение
• Список используемых источников

Введение

Последние десятилетия активно развиваются методы диагностики различных параметров астрофизической и, последняя же в основном является химически однородной и ее плотность сравнима с плотностью твердого тела. Широкий спектр параметров лабораторной плазмы от малоплотной низкотемпературной плазмы до высокотемпературной плазмы высокой плотности стимулирует активное развитие и применение различных диагностических методик. Среди них хорошо развитой областью диагностики плазмы являются рентгеновские методы, применяющиеся в первую очередь для исследования плотной высокотемпературной плазмы. Такая плазма образуется под действием лазерного излучения, ионных пучков, а также и в разряде типа Z-пинч (низкоиндуцированная вакуумная искра, плазменный фокус, проволочные сборки) и благодаря высокой плотности и температуре, является необычайно ярким источником рентгеновского излучения (далее РИ).

РИ несет в себе богатую информацию о различных параметрах плазмы, таких как плотность, температура ионов и электронов, состав плазмы и степень ионизации. С первых этапов развития плазменных технологий, эффективно разрабатывались различные методы регистрации сплошных и линейчатых спектров РИ, образующегося во время пинчевания плазменного столба [1].

Одно из основных направлений плазменных исследований - инерциальный термоядерный синтез (далее ИТС). Попытки создания термоядерных реакторов (далее ТЯР) с импульсными системами удержания плазмы, за времена протекания D-T реакции, были предприняты учеными большинства ведущих мировых держав (Германия, США, Россия) [2]. Однако до сих пор проблема создания промышленного ТЯР не решена до конца. Исследования параметров плазмы, создаваемой в установках типа ИТС - это актуальная задача современной физики плазмы, которая требует аналитического комплексного решения. В настоящий момент наиболее эффективными драйверами для ИТС считаются сверхмощные многоканальные лазерные системы и мегаамперные пинчи на основе проволочных борок, лайнеры различных конфигураций и лазерные системы.

Параметры высокотемпературной плотной плазмы в пинчевых и лазерных системах достаточно близки, а диагностические методики (рентгеновские, лазерные, корпускулярные) имею много общего, и могут применяться как на разрядных, так и на лазерных установках. Исследование временных, пространственных и спектральных характеристик рентгеновского излучения, генерируемого импульсной плазмой на установках различного типа, позволяет лучше понимать общие закономерности поведения плазмы и дает богатую информацию о её параметрах и структуре. При проведении подобных экспериментов следует учитывать различные виды рентгеновского излучения плазмы (тормозное, линейчатое, рекомбинационное) и многообразие механизмов генерации, что приводит к необходимости проведения измерения в достаточно широком спектральном диапазоне: от 50 эВ до 100 кэВ. Кроме того, формируемое в мощных импульсных системах, как правило работающих в режиме одиночного импульса, РИ во многом зависит от начальных условий, конструкции экспериментальной установки, а и режимов работы, а значит - а динамика плазмы различается от разряда к разряду. В таких случаях для получения надежного результата проводится серия экспериментальных измерений.

В данной работе в качестве простой и удобной диагностикой РИ выбран метод "серых фильтров", основанный на спектральной селекции первичного источника рентгеновского излучения. Селектирующим элементом являлся набор Al фильтров разной толщины, с помощью которого были получены кривые ослабления. Применение для их обработки метода "эффективных энергий" даёт оценку электронной температуры плазмы [3]. Изображение плазмы в диапазоне рентгеновского излучения формировалось с помощью камеры-обскуры, представляющей собой отверстие малого диаметра (0,1?0,5 мм) в непрозрачном для рентгеновского излучения экране. Для регистрации излучения использовалась рентгеновская пленка Kodak. Источниками РИ служила плазма двух принципиально разных систем генерации: низкоиндуктивной вакуумной искры (микропинч) и лазерной плазмы.

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Использование косвенных методов рентгеновской диагностики плазмы

В настоящее время среди большого количества разработанных методов исследования спектра непрерывного рентгеновского излучения выделяют прямые и косвенные. Прямые методы - это методы, основанные на непосредственном разложении рентгеновского излучения в спектр с помощью диспергирующих элементов или на измерении спектральной интенсивности в дискретных узких интервалах. Их реализация Прямое разложение РИ в спектр с помощью обзорных спектрографов дает возможность получить информацию о спектрально-энергетических характеристиках рентгеновского излучения в достаточно широком спектральном диапазоне. Отметим, что в качестве диспергирующих приборов используются спектрографы с дифракционными решетками скользящего падения и с пропускающими дифракционными решетками, обеспечивающие достаточную обзорность спектра от единиц до сотен ангстрем, а для регистрации излучения применяются рентгеновские фотоэмульсии и микроканальные детекторы. Дискретные узкие спектральные интервалы выделяются посредством К-краевых фильтров, рентгеновских монохроматоров или в результате отражении РИ от поверхности зеркал с многослойным диэлектрическим покрытием. Обычно в этом случае РИ регистрируются отдельными детекторами с временным разрешением, например фотодиодами.

Косвенные методы - направлены на исследование непрерывного рентгеновского излучения из плазмы. Наиболее широкое применение получил метод поглотителей, имеющий две разновидности: метод "серых фильтров" и метод Росса. Метод серых фильтров состоит в том, что исследуется кривая ослабления рентгеновского излучения в веществе, т.е. зависимость энергии (или числа квантов) прошедшего сквозь слой поглотителя излучения от толщины этого слоя. Фактически определяются отношения чисел квантов (или энергий) рентгеновского излучения, прошедших через фильтры разной толщины.

1.2 Использование рентгеновской камеры-обскуры

Наиболее простым и распространенным способом получения статического изображения плазмы в рентгеновских лучах является камера-обскура, которая представляет собой отверстие малого диаметра в непрозрачном для РИ экране. Камера-обскура для рентгеновской области спектра ничем не отличается от традиционной камеры-обскуры для видимого света. Её единственное отличие состоит в том, что стенки изготовляются из свинца (или толстого слоя железа) и являются непрозрачными для исследуемого рентгеновского излучения. Регистрирующим элементом является рентгеновская фотопленка или ядерная эмульсия ? фотографическая регистрация или фотоэлектронная запись рентгеновского изображения с помощью цифровой ПЗС-матрицы в сочетании с рентгеновским электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) и микроканальными пластинами (МКП). Изображение объекта с неискаженными размерами на рентгеновской фотопленке можно непосредственно зарегистрировать, только если размеры отверстия в формирующей изображение камере-обскуре диафрагме будут меньше размеров этого объекта.

Пространственное разрешение камеры-обскуры определяется по формуле:

,

увеличение

Г=b/a.

Здесь d - диаметр отверстия, a - расстояние от плазменного объекта до камеры-обскуры, b - расстояние от камеры-обскуры до изображения.

Видно, что для улучшения пространственного разрешения необходимо повышать увеличение и уменьшать диаметр отверстия. Однако повышать увеличение можно лишь до определенных пределов, что связано с ограниченной интенсивностью рентгеновского излучения и необходимостью иметь изображение с достаточной плотностью почернения фотоэмульсии [4]. Что касается диаметра отверстия, то его можно уменьшать лишь до тех пор, пока дифракция рентгеновского излучения на отверстии не станет существенной.

Принцип действия камеры-обскуры для рентгеновской области спектра ничем не отличается от традиционной для видимого света. Её единственное отличие состоит в том, что стенки изготовляются из свинца и являются непрозрачными для исследуемого рентгеновского излучения. Очевидно, что задача оптимизации при выборе геометрии камеры-обскуры достаточно неоднозначна и для каждого объекта исследования имеет свои особенности, зависящие от характера и параметров этого объекта. Например, рентгеновское излучение плазмы низкоиндуктивной вакуумной искры (НВИ), в том числе ПТ, имеет отчетливую пространственную структуру. На рентгеновских обскурограммах плазмы НВИ обычно различают три источника излучения: плазменную точку (ПТ), представляющую собой самую горячую область пинчевой плазмы; диффузное облако, расположенное между ПТ и одним из электродов; поверхность самого электрода анода или катода. Однако размеры собственно ПТ, наблюдаемые на основе полученных рентгеновских изображений, колеблются в достаточно широких некоторых пределах, и их величина зависит как от размера отверстия, так и от толщины материала используемого поглощающего фильтра, которые часто используются совместно с камерой-обскурой. В этом случае, кроме оптимизации геометрии камеры-обскуры необходимо привлекать дополнительную информацию об объекте.

1.3 Метод поглотителей

Среди косвенных методов наиболее широкое применение при исследовании спектра непрерывного рентгеновского излучения плазмы получил метод поглотителей. Метод поглотителей имеет две разновидности: фильтров Росса и серых фильтров.

Метод серых фильтров состоит в том, что исследуется кривая ослабление рентгеновского излучения в веществе, т.е. зависимость энергии интенсивности (или числа квантов) РИ прошедшего сквозь слой поглотителя излучения от толщины этого слоя. При практической реализации метода получают кривую поглощения, представляющую собой зависимость относительного коэффициента поглощения от толщины слоя поглотителя. Эти коэффициенты (т.е. отношения интенсивностей или числа квантов РИ) являются функцией только электронной температуры. Фактически определяются отношения чисел квантов (или энергий) рентгеновского излучения, прошедших через фильтры разной толщины, Для определения указанных параметров Экспериментально измеренные коэффициенты поглощения отношения сравниваются с теоретическими коэффициентами, рассчитанными (в предположении максвелловского распределения электронов по скоростям) для различных значений электронной температуры. В этом случае эти отношения являются функцией только электронной температуры. Рассчитанное отношение энергий может быть использовано в методе поглотителей при измерениях с детекторами, сигнал которых пропорционален энергии рентгеновского излучения в широком диапазоне изменения энергии квантов. К таким детекторам относятся, в частности, сцинтилляционные.

Сравнение экспериментально измеренных и вычисленных отношений чисел квантов (или энергий) либо построенных с их помощью экспериментальной и расчетной кривых ослабления излучения в веществе фильтра позволяет при совпадении экспериментальной и расчетной кривых поглощения можно определить электронную температуру плазмы, если измеренная кривая совпадает с рассчитанной при некотором значении температуры. В таком случае можно и сделать предположение о максвелловском распределении электронов по скоростям с соответствующим значением "тепловой" температуры. Если же нет полного совпадения экспериментальной кривой с расчетной ни при одном значении температуры, то это свидетельствует об отклонении распределения электронов от максвелловского. В этом случае имеет место существование в плазме. Сопоставление кривых позволяет оценить эффективную температуру группы быстрых, или горячих, электронов с эффективной "надтепловой" температурой. Вместе с тем, нужно отметить, что хотя связь между спектром и кривыми ослабления однозначная, проблема восстановления спектра по кривым ослабления оказывается в достаточной мере сложной.

Наиболее удобны для использования в качестве поглотителей в данном методе тонкие бериллиевые фольги. Это связано с тем, что скачок пропускания Be соответствует длине волны _1пр = 113 Е, а в области < _1пр коэффициент пропускания имеет вид гладкой функции, плавно возрастающей в сторону коротких длин волн. Кроме того, в указанном диапазоне из всех твердых веществ бериллий обладает наибольшим пропусканием, что позволяет использовать для сравнительно мягких квантов поглотители достаточно большой толщины, удобные при изготовлении и применении и в то же время непрозрачные для излучения видимого диапазона. Так, для толщины 25 мкм граничная энергия отсечки бериллиевого фильтра по уровню 1/е составляет 1,3 кэВ, а для толщины 2,5 мм - 7 кэВ. При переходе к большим энергиям отсечки целесообразно использовать алюминиевые поглотители в сочетании с бериллиевым фильтром достаточной толщины для перекрытия окна пропускания алюминия в области ~1,5 кэВ. Важнейшими преимуществами метода серых фильтров являются простота техники эксперимента и возможность применения различных типов детекторов, вследствие чего рабочий спектральный диапазон данного метода довольно широк.

1.4 Метод К-краевых фильтров. Метод Росса

Наиболее широкое применение при исследовании спектра непрерывного мягкого рентгеновского излучения плазмы с энергией 1 кэВ h 10 кэВ получил метод К-краевых поглотителей., который Он основан на выделении дискретных узких спектральных интервалов посредством с помощью набора фильтров с различными К-краевыми энергиями и регистрации с последующей регистрацией излучения в этих интервалах отдельными соответствующими детекторами.

Более высокой избирательностью и универсальностью обладают фильтры Росса. Они представляют собой совокупность двух селективных фильтров из элементов с соседними или близкими атомными номерами, а их толщины подобраны так, чтобы пропускание было одинаковым во всем диапазоне длин волн, кроме интервала между краями поглощения фильтров. Это требование легко выполняется, так как скачки поглощения близких по атомному номеру элементов мало отличаются по величине, и зависимости их коэффициентов поглощения от энергии практически тождественны.

Так, в указанном выше диапазоне с ростом энергии фотонов число квантов резко падает, и снижается спектральная чувствительность детектора, то используя эти детекторы в сочетании с фильтрами, имеющими резкие К-краевые поглощения, и эффективно поглощающими фотоны низкой энергии, можно обеспечить регистрацию мягкого рентгеновского излучения в совокупности выделением достаточно узких энергетических интервалов, квантов с энергиями большими К-краевой энергии фильтра, за пределами окна пропускания, фильтров можно пренебречь. Для спектрального участка с энергией рентгеновского излучения h 10 кэВ, с ростом энергии квантов число квантов падает медленно и поэтому вкладом рентгеновского излучения уже жесткого диапазона с высокой энергией нельзя пренебречь. Для его расчета используется метод фильтр-флуоресценции.

1.5 Совместное применение метода поглотителей и камеры обскуры

Фотографический метод широко и успешно применяется для исследования коротковолнового излучения благодаря относительной невысокой стоимости фотоэмульсии. Для регистрации мягкого рентгеновского излучения, как правило, применяются фотографические материалы с достаточно высокой концентрацией галогенида серебра в эмульсионном слое и микрокристаллами большого размера.

Анализ рентгеновского излучения с помощью камеры-обскуры с одновременным применением метода поглощающих фильтров позволяет получить данные по пространственному изменению электронной температуры (средней по времени) [5]. Применение в подобных экспериментах фотографической регистрации не дает информации о временном поведении температуры, однако широко и успешно применяется для исследования рентгеновского излучения благодаря относительной невысокой стоимости фотоэмульсии.

Исследованию пространственной структуры и спектрального состава излучения рентгеновских источников в плазме микропинчевого разряда посвящена работа [5]. Эксперименты выполнены Одна из последних работ, проведенных на экспериментальной установке "Зона -2" НИЯУ МИФИ (при параметрах напряжение на конденсаторной батареи 15 кВ; максимальная величина разрядного тока 220 кА; величина тока в момент пинчевания 160 кА) была посвящена исследованию пространственной структуры и спектрального состава излучения рентгеновских источников в плазме микропинчевого разряда с помощью трехканальной камеры-обскуры и регистрацией РИ на фотоэмульсии. Энергетический спектр рентгеновского излучения определялся методом фильтров, причем в качестве фильтров использовалась сама фотопленка TXJ-III (Китай) с известным материалом, как подложки, так и эмульсии. Пакет расположенных друг за другом фотопленок состоял из шести слоев (рис.1).

Рис.1. Схема эксперимента

Эксперимент заключался в том, что: Суть эксперимента заключалась в следующем. Излучение плазмы 1, проходит через входное окно 2 из 50 мкм лавсана и формирует с помощью камеры-обскуры 3 изображение одновременно на шести слоях фотоэмульсии, помещенных в пакет из 10 мкм алюминиевой фольги 4. Камера-обскура имела три входных отверстия (200 мкм), изготовленных в Pb-фольге толщиной 500 мкм. Два крайних отверстия были закрыты Al-фильтрами с толщинами 80 (первый канал) и 40 мкм (третий канал).

Были экспериментально получены зависимости пропускания фильтров от энергии рентгеновских квантов для воздушного слоя толщиной 5 см и 10 см, и для различных материалов, в том числе входное окно из 50 мкм лавсана и пакет из 10 мкм алюминиевой фольги.

На полученных обскурограммах выделяются следующие характерные участки свечения: "плазменная точка" (ПТ), формирующаяся вблизи анода, диффузное облако между электродами и поверхность анода. На каждом участке измерялась кривая ослабления рентгеновского излучения.

Для получения пространственного распределения электронной температуры использовались изображения плазмы в рентгеновских лучах за различными фильтрами. Для каждой точки изображения плазмы на пленке камеры-обскуры определяется электронная температура на основе метода фильтров. Для этого на основании состава пленки определяется интенсивность излучения, попавшего в данную точку, и сравнивается с расчетными интенсивностями излучения, приходящего в эту же точку через использующиеся фильтры камеры-обскуры, при различных величинах электронной температуры.

Подобные эксперименты довольно часто проводятся для получения рентгеновских спектров плазмы, поскольку Таким образом, применение в экспериментах метода поглощающих фильтров и обскур при совместном применении в сочетании с камерой-обскурой с одной стороны обеспечивает высокую информативность исследования РИ, а с другой являются относительно простыми в реализации и доступными с точки зрения экономичности.

1.6 Применение камеры-обскуры для оценки размеров точечного источника плазмы

В настоящее время в качестве источника для рентгеновской радиографии широко применяются разрядные системы на основе X-пинча. Альтернативным вариантом, может служить рентгеновский источник плазмы на основе Z-пинча [6], который отличает возможность многократного использования без развакуумирования рабочей камеры.

В связи с необходимостью разработки нового источника рентгеновской радиографии, малогабаритного и удобного для многократного использования, было предложено использовать в качестве драйвера на X-пинч, а разряд типа Z-пинч, где излучающая горячая плазма создастся при сжатии плазменной струи силой Лоренца при протекании тока [6].

В подобном Z-пинчевом разряде формирование струи осуществлялось с помощью дугового разряда, инициируемого пробоем по поверхности диэлектрика в вакууме. Экспериментальная установка была создана на основе малогабаритного генератора XGP?1 [7], состоящего из четырех конденсаторно-коммутаторных сборок емкостью 0.25 мкФ. Конденсаторы соединялись параллельно. Создаваемые генератором импульс тока с амплитудой в 215 кА использовался для сжатия плазменной струи, поступающей в межэлектродный промежуток через отверстие в заземленном электроде (рис. 2).

Рис.2. Принципиальная схема инжекции плазменной струи с помощью дугового разряда: C₁ - высоковольтный электрод-дугового разряда; C₂ - высоковольтный электрод сильноточного генератора; A - анод (обратный токопровод сильноточного генератора), 1 - изолятор.

Для регистрации изображения плазменной струи, формируемой с помощью дугового разряда, использовалась камера обскура, с диаметром отверстия d= 70мкм. Однако, для определения истинных размеров плазменного источника РИ микронного размера обычная применение такой камеры-обскуры приводит к искажению размеров и неприменимо. Размер точечного источника излучения оценивался по размерам области полутени изображения тестового объекта (рис.3).

Рис.3. Схема определения размера источника рентгеновского излучения по области полутени: D - диаметр источника, A - расстояние от источника до тестового объекта, B - расстояние от тестового объекта до пленки, C - размер области полутени, E - область тени для идеального точечного источника. 1 - PZ-пинч, 2 - тестовой объект-сетка, 3 - фильтр,4 - фотопленка.

В качестве тестового объекта использовалась стальная сетка из проводников с диаметром 30 мкм, и шагом сетки 250 мкм. Как показано на рис.3 размер области полутени зависит от размера источника и коэффициента увеличения. Размер источника определяется формулой:

D=C(A/B),

где D - диаметр источника, В - расстояние от тестового объекта до пленки, А - расстояние от источника до тестового объекта, С ? размер области полутени. Изображение регистрировалось на пленку РФ-3, расположенную за фильтром из каптона толщиной 24 мкм. Регистрировалось изображение тестового объекта в диапазоне энергий квантов от 1.5 до 3 кэВ.

Рис.4. Определение пространственных характеристик ДР. C₁ - высоковольтный электрод дугового разряда; A - анод (обратный токопровод сильноточного генератора). a - обскурограмма свечения струи ДР; b - отпечаток струи ДР на фотопленке, расположенной поперек струи на расстоянии 3mm от среза электрода "A".

Для оценки поперечных размеров струи на слой рентгеновской фотоэмульсии получали отпечаток этой плазменной струи на слой рентгеновской фотоэмульсии непосредственно, это позволило оценить поперечные размеры струи (рис.4). Такой метод диагностики позволила не только оценить пространственные размеры плазменной струи, но так же показала заключить, что основная часть массы струи сосредоточена в пределах угла в 30є.

1.7 Применение косвенных методов рентгеновской диагностики плазмы лазерно-индуцированных вакуумных разрядов при лазерном инициировании

При исследовании особенности динамики быстрых лазерно-индуцированных разрядов была проведена визуализация пространственного распределения рентгеновского излучения разрядного промежутка с помощью камеры-обскуры и регистратора на основе микроканальной пластины. Исследования проводились в ФИАН, на лабораторной установке, состоящей из двух лазерных систем на неодимовом стекле (л = 1.06 мкм), работающих в режиме синхронизации мод; вакуумного диода, и комплекса диагностик [8]. Вакуумный диод состоял из разрядной системы, вакуумной камеры с остаточным давлением P = 10^-5Тор и представлял собой источника питания. постоянного напряжения и камеры взаимодействия, с остаточным давлением P = 10^-5Тор. В качестве разрядной системы были выбраны Ti анод в форме конуса и Ti катод - в виде плоской пластины. Межэлектродное расстояние варьировалось в пределах 1-30 мм. Инициирование вакуумного разряда осуществлялось излучением лазера, сфокусированным на мишени в пятно с диаметром 200 мкм.

Основной целью серии экспериментов было исследование влияние начальных условий на развитие неустойчивостей и сопутствующих им процессов, включая генерацию жесткой компоненты РИ. Поэтому в эксперименте была использована дополнительная диагностика РИ с помощью систем pin-диодов, которые размещались под разными углами к оси разряда. Первый pin-диод с титановым фильтром толщиной h=15 мкм установлен навстречу аноду, и был рассчитан на диагностику тормозного и характеристического излучения титана [9]. Второй pin-диод с вольфрамовым фильтром с толщиной h= 50 мкм, регистрирующий только тормозное излучение, располагали под прямым углом к оси разряда, за анодом. С Помощью этой системы было выявлено, что тормозное и характеристическое излучение имеют разные диаграммы направленности, и основной вклад в формирование жесткой компоненты РИ вносят электронные пучки, сформированные в неустойчивостях второго типа.

Наряду с временными измерениями РИ, для визуализации изображения плазмы использовалась камера-обскура, с диаметром отверстия 100мкм, выполненная в пластине тантала толщиной h= 300 мкм. В качестве фильтра применялась пленка из формвара, с толщиной h= 0,3 мкм, пропускающей рентгеновские кванты с энергией ? 50эВ. Изображение регистрировалось системой на основе МКП, чувствительность которой в области свыше 10 кэВ, значительно превосходит спектральную чувствительность рентгеновских фотоматериалов, считывалось с выходного экрана CCD-камерой. В ходе эксперимента были получены обскурограммы разрядного промежутка при U ? 10 кВ, и J = 2 мДж (рис.5).

Рис.5. Пространственное распределение рентгеновского излучения.

Полученные изображения плазмы показали присутствие дополнительного источника мягкого рентгеновского излучения, который располагался на оси разряда ближе к катоду. Отмечено, что по мере увеличения разрядного напряжения от 1 до 10 кВ число таких источников МРИ возрастало. Их количество не превышало четырех. Появление новых источников РИ так же фиксировалось системой pin- диодов, поэтому их появление коррелирует с образованием неустойчивостей первого типа. Так же была выявлена жёсткая компонента РИ в прианодной области разрядного промежутка. Излучение исходило из плазменного облака, окружающего конический анод.

Исследования показали, что регулирование параметров лазерного излучение позволяет оказывать успешное влияние на образующуюся в результате плазму.

1.8 Применение камеры обскуры для исследования пространственных характеристик сильноточного разряда на парах металла

Исследование параметров плазмы, образующейся при развитии сильноточного газового разряда в парах алюминия, были проведены на установке, предназначенной для изучения процессов рекомбинирующей плазмы в парах металла в работе [10]. Основными узлами установки являлись: разрядная камера, вакуумный пост, устройства управления поджигом разряда и система диагностики.

Алюминиевые электроды вводились в вакуумную камеру через специальные изолирующие фланцы. Длина разрядного промежутка варьировалась от 1 до 10 см. Анод представлял собой цилиндр с d= 2·10^-2 м, торцевая поверхность которого имеет форму полусферы. Внешняя форма катода аналогична форме анода, но внутри электрода смонтирована плазменная пушка, предназначенная для поджига электрического разряда между основными электродами. Для исследования временных характеристик излучения плазмы в рентгеновской области спектра использовался датчик рентгеновских лучей, состоящий из отсекающего бериллиевого фильтра с d = 30 мкм, используемый для отсечения видимого света и ультрафиолета; сцинтиллятора NaI, преобразующего РИ в видимый свет и фотоумножителя ФЭУ-19М.

Сигнал с ФЭУ поступал на осциллограф. Для определения температуры плазмы был применен метод серых фильтров, где в качестве поглотителей использовались Be фольги различной толщины.

Полученное изображение регистрировалось на пленку РФ-7, а после все данные были обработаны методом эффективных энергий и рассчитана температура плазмы T_e ~ 1?3 кэВ. После, в предположении локального термического равновесия была оценена концентрация электронов в высокотемпературной плазме по формуле:

n_e ?1.6·10¹²T_e x(p;q)³

Исследование временного поведения плазмы проводилось как в видимой, так и в рентгеновской области спектра излучений. Рентгеновское излучение преобразовывалось в видимое с помощью сцинтиллятора на кристалле и регистрировалось фотоумножителем (рис.6).

Рис.6. Осциллограмма РИ при разрядном напряжении U=35кэВ, и давлении P=10^-5тор.

Характерные наводки в виде изрезанности осциллограмм объяснялось развитием нестабильности в разряде, что приводило к обрывам тока и характерной для этого случая вспышке рентгеновского излучения. Пространственные характеристики разряда исследовались с помощью камеры-обскуры в видимой области спектра и рентгеновском диапазоне лучах (рис.7).

Рис.7. Изображение плазмы в рентгеновских лучах

Как показал анализ фотографий вакуумных разрядов, на электродах наблюдаются многочисленные катодные пятна. Вблизи анода образовывалось плазменное облако, которое интенсивно излучало. Объем наиболее горячей прианодной плазмы составил около 4 см ³.

Таким образом, применение косвенных методов диагностики рентгеновского излучения плазмы является неотъемлемой частью любого комплекса диагностик, применимых к лабораторной плотной высокотемпературной плазме. Метод поглотителей совместно с применением такого простого устройства, как камера-обскура позволяют оценить плотность и температуру плазмы, получить ее изображение в рентгеновском диапазоне и оценить размер источника излучения. Косвенные методы диагностики наиболее просты в использовании и экономичны.

Глава 2. Описание экспериментальных установок

2.1 Экспериментальная установка "Зона-2" НИЯУ МИФИ

Установка "Зона-2" ? это установка с разрядными устройствами типа низкоиндуцированной вакуумной искры. Учебно-научная установка "Зона-2" была создана для исследования взаимодействия плазменных потоков с магнитными полями различной конфигурации.

Установка состоит из следующих частей: вакуумной камеры с размещенным в ней электроразрядным устройством; средств вакуумной откачки; высоковольтной схемы питания с блоком управления; комплекса средств диагностики. На рис. 8 ниже представлен внешний вид установки "Зона-2" соответственно.

Рис.8. Внешний вид установки "Зона-2"

За последние полгода схема установки претерпела изменения. Разрядная система, состоящая из двух железных электродов, имеющих форму острия, была перенесена из малой вакуумной камеры в основную. Схема установки представлена на рис.9. Системы триггерного поджига, системы вакуумной откачки не претерпевали изменений.

Рис.9 Схема экспериментальной установки Зона-2

2.2 Экспериментальная установка "ПИОН" НИЯУ МИФИ

Учебно-исследовательская установка "ПИОН" ? это установка с разрядной системой типа низкоиндуцированная вакуумная искра. Экспериментальная установка "ПИОН" была создана для исследований параметров разрядной плазмы и эффекта пинчевания [11].

Установка состоит из следующих частей: цилиндрической вакуумной камеры с размещенным в ней электроразрядным устройством; средств вакуумной откачки; высоковольтной схемы питания с блоком управления; комплекса средств диагностики. Вакуумная камера имеет множество вакуумных патрубков отводов и диагностических окон, то позволяет проводить одновременно несколько диагностик разного типа: лазерная диагностика визуализация плазмы с помощью теневого фотографирования получение теневых фотографий, диагностика рентгеновского излучения. Установка "ПИОН" рассчитана на работу при остаточном давлении от P = 10^-6 тор. Для создания вакуумных условий используется системы из двух насосов: насос форвакуумный 3НВР-1Д и турбомолекулярный насос Pfeiffer-I-2100C. Внешний вид установки и размещение элементов показано соответственно на рис.10 и рис. 11. Установка "ПИОН" рассчитана на работу при остаточном давлении от P = 10^-6 тор и спроектирована так, что позволяет разместить вокруг любую систему диагностики плазмы. Типичная схема установки показана на рис.11.

Рис.10. Внешний вид установки "ПИОН"

Рис. 11.1-конденсатр ИК, 2-вакуумная камера, 3-диагностические окна, 4- вакуумные вводы для поджига, 5-датчик давления, 6-турбомолекулярный насос.

2.3 Лабораторный стенд для генерации лазерной плазмы

плазма лазерный рентгеновский металл

Лазерная плазма является источником интенсивного вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения (далее МРИ) [9,10]. Схема лазерно-плазменного источника коротковолнового излучения показана на рис. 12.

Рис.12. Лазерно-плазменный источник коротковолнового излучения: 1 - импульсный лазер с л=1.079 мкм; 2 - поворотное зеркало; 3 - короткофокусная линза; 4 - лазерная мишень из Al; 5 - волноводный концентратор коротковолнового излучения; 6 -фотопленка закрытая Al фильтром.

Для создания лазерной плазмы (ЛП) используется твердотельный лазер на алюминате иттрия с энергией ? 0.3 Дж и частотой следования импульсов до 3 Гц. Плотность потока лазерного излучения на поверхности Al-мишени составляет около J ~ 410¹¹ Вт/см². При этом достигается электронная температура плазмы порядка 80 эВ. Давление остаточного газа в вакуумной камере не более P = 510^-5 тор.

Высокая интенсивность МРИ достигается за счет использования волноводного концентратора, представляющего собой плотный пакет из нескольких тысяч тонких стеклянных капилляров, собранных в гексагональную сотовую структуру. Концентратор одновременно защищает образцы от воздействия разлетающихся высокоэнергичных частиц лазерной плазмы и фокусирует коротковолновое излучение в пятно с минимальным диаметром около d= 2 мм. Интегральный коэффициент конверсии энергии лазерного излучения в энергию рентгеновского излучения на выходе концентратора зависит от материала мишени и составляет величину порядка t ~ 10^-4. Параметры импульсного рентгеновского излучения: длительность импульсов ~ 20 нс; частота следования 3 Гц; плотность потока J ~ 80 кВт/см ²; спектральный диапазон 10-1500 эВ (свыше 80% энергии в области 50-200 эВ); энергия в импульсе коротковолнового излучения ? 20 мкДж.

Глава 3. Описание экспериментов и анализ эксперентальных данных

3.1 Эксперименты на микропинчевых установках "ПИОН" и "Зона-2"

Эксперименты по регистрации ослабления РИ в слоях Al фильтров проводились на микропинчевых установках "Зона-2" и "ПИОН" (НИЯУ МИФИ), относящимся к разрядным системам типа низкоиндуктивная вакуумная искра (НВИ). Рабочей средой для формирования плазмы являлись пары материала электродов. Для инициации основного сильноточного разряда использовался вспомогательный тригерный разряд эрозионного типа. Установки имеют близкую геометрию разрядного промежутка, одинаковый диапазон рабочих напряжений, но отличаются вакуумными условиями и энергией, запасаемой в конденсаторных батареях.

Рабочие параметры установки ПИОН, используемые в эксперименте: остаточное давление в вакуумной камере P =10^?6 тор, ток разряда I ~140 кA, напряжение U =15 кВ, период разряда T ~5,6 мкс.

Для измерения разрядного тока применялся пояс Роговского, а наличие рентгеновского излучения контролировалось с помощью pin-диода. Рабочие фильтры и конверт с фотопленкой устанавливались снаружи вакуумной камеры, вплотную к диагностическому окну, закрытому бериллиевой фольгой толщиной ~ 100 мкм. После каждого выстрела слой фотоэмульсии заменялся на новый. При этом фиксировались значения тока и рентгеновского импульса на pin-диоде. В этом эксперименте использовались Al фильтры с толщиной одного слоя в 70мкм. Их параметры приводятся в таблице 1.

Таблица 1. Почернение пленки при различной толщине Al фильтра

Вид рентгеновской пленки
Число слоев Al фольги	0	1	2	4	8
Толщина фильтра (мкм)	0	70	140	280	560
Интенсивность I (отн. ед.)	186	95	53	26	1

Профиль почернения пленки восстанавливался в программе ImageJ и строилась кривая ослабления рентгеновского излучения в слоях Al фильтров (рис.13).

Рис. 13. Ренгеновское излучение на установке ПИОН: а) профиль почерени;, б)кривая ослабления I(N)

Для построения гистограммы спектрального состава РИ использовался метод эффективных энергий. Стоит отметить, что этот метод является оценочным, а его точность ограничена. Начиная с некоторого значения, она не может быть улучшена за счет увеличения числа каналов регистрации. На рисунке 14 представлен спектральный состав РИ на установке "ПИОН".



Рис.14. а) спектральный состав РИ; б) спектр РИ в области пинчевания

Данная гистограмма соответствует двухтемпературному режиму с электронными температурами T_e " 2,5 0,3 кэВ для тепловой группы электронов и T_H " 35 4 кэВ для надтепловой группы электронов в области микропинчевания, в приближении максвеловского распределения электронов в плазме по скоростям [12].

Вторая часть экспериментов посвящена регистрации РИ на установке "Зона-2" c использованием камеры-обскуры и поглощающих фильтров, в качестве которых использовалась слои регистрирующей фотоэмульсии [13]. Исследования проводились при следующих рабочих параметрах: напряжение U = 13 кВ, разрядный ток до I = 130 кА, остаточное давление в вакуумной камере P = 10^?5 тор. Предварительно, для определения степени поглощения рентгеновского излучения в одном слое фотопленки Kodak, было произведено последовательно 10 и 5 выстрелов. Изображения, полученные для этого случая на пленке, представлены на рис.15.



Рис.15. Изображение РИ плазмы: а) 10 выстрелов; б) 5 выстрелов

В последующих экспериментах использовалась камера-обскура с диаметром отверстия d = 200 мкм в тонкой свинцовой фольге, которая закреплялась в держателе из Al пластины толщиной 5 мм. Система из обскуры и пленок подобно экспериментам на установке ПИОН размещалась вне вакуумной камеры за Be фильтром толщиной ~100 мкм. Расстояния оси микропинчевого разряда до экрана с отверстием и пакетом рентгеновских пленок Kodak выбраны так, чтобы размер изображения равнялся размеру источника. Изображения, полученные за 15 выстрелов на установке "Зона-2", представлены на рис.16.

Рис.16. Изображение плазмы микропинча на установке "Зона-2" в слоях рентгеновской фотопленки Kodak

На обскурограммах можно точно видеть следующие характерные участки свечения: плазменную точку, образующуюся вблизи анода, диффузное облако в пространстве между электродами и поверхность катода. На четвертом слое пленки изображения уже не было получено, что говорит об отсутствии жесткой компоненты РИ и недостаточном сжатии пинча.

На рис.17. приведены кривые ослабления интенсивности рентгеновского излучения в слоях фотопленки. Толщина одного слоя фотоэмульсии составляет 800 мкм, из чего можно сделать вывод, что один слой фотоэмульсии пропускает РИ в среднем на 30% хуже, чем Al фильтр при той же толщине.

Рис.17. Кривая ослабления интенсивности рентгеновского излучения плазмы в слоях фотопленки

3.2 Эксперименты с лазерной плазмой

Серия экспериментов по исследованию параметров лазерной плазмы проводились на экспериментальном стенде НИЯУ МИФИ по преобразованию лазерного излучения в мягкое рентгеновское излучение. Для создания плазмы использовался твердотельный лазер на алюминате иттрия с энергией ?0.5 Дж и частотой следования импульсов до 3 Гц.

Плотность потока лазерного излучения на поверхности Al мишени составляет около Q= 410¹¹ Вт/см ². Остаточное давление в вакуумной камере P= 510^?5 Тор. Доза облучения контролировалась с помощью рентгеновского фотоприемника (pin-диод типа ФДУК-8УВС[14]) и быстрого цифрового осциллографа WaveAce2024.

Система регистрирующих Al фильтров размещалась в фокусе волноводного концентратора, поскольку там достигается наибольшая интенсивность МРИ. Регистрация изображения производилась поочередно, в несколько этапов, на каждом из которых использовался фильтр заданной толщины (таблица 2) и один слой фотоэмульсии Kodak. Рентгеновские изображения лазерной плазмы представлены на рис.18.

Таблица 2 Характеристики лазерного эксперимента

Толщина Al фильтра(мкм)	Время облучения (мин)	Средняя интенсивность облучения (мВ)
2	2	200-300
5	5	150-200
15	18	150-200

Рис.18. Изображение пятна в фокусе рентгеновской линзы за Al фильтрами различной толщины и средней интенсивности излучения I~150ч300мВ

Для последующей обработки данных был использован метод "эффективных энергий", который позволяет дать оценку интенсивности проходящего излучения, энергии и электронной температуре плазмы рис.19



Рис.19. Обработка рентгеновских изображений лазерной плазмы: а) профиль почернения; б) кривая ослабления; в)энергетический спектр

Определены коэффициенты ослабления рентгеновского излучения: ф₁ = 8,3•10⁴ см²/г; ф₂ = 2,0•10⁴ см²/г. По полученным данным была оценена электронная температура лазерной плазмы T_e" 70эВ. Изображение плазмы, полученное в видимом диапазоне при атмосферном давлении, представлено на рис. 20.

Рис.20. Свечение лазерной плазмы в видимом диапазоне при атмосферном давлении.

Для получения изображения плазмы в рентгеновских лучах использовалась камера-обскура, которая устанавливалась внутри вакуумной камеры в защитный стальной кожух. На рис. 21 показан узел регистрации МРИ.

Рис.21. Узел регистрации МРИ, размещенный внутри вакуумной камеры

На рис. 22 представлены изображения лазерной плазмы в рентгеновском диапазоне за Al фильтрами различной толщины при частоте следования лазерных импульсов f= 3 Гц, энергии в лазерном импульсе E= 350±50 мДж и времени облучения t= 5 мин.

Рис.22. Изображения лазерной плазмы полученные с помощью вакуумной камеры-обскуры с d=500 мкм и увеличением D=0,6 за Al фильтрами различной толщины.

Размер пятна на фотоплёнке в среднем составил l= 0,48±0,02 мм. Форма пятна возможно обусловлена неоднородностью поверхности мишени, которая образуется вследствие проплавления малых кратеров в поверхности мишени, при облучении ее лазером в режиме остаточной свободной генерации. Вид поверхности Al-мишени после облучения лазером показан на рис. 23.

Рис.23. Вид поверхности Al мишени для разных масштабов увеличения: а) 1 мм; б) 500 мкм; в) 100мкм.

При исследовании конфигурации "плазменного" пятна было замечено, что наиболее ярко светится приповерхностная область более плотной плазмы, на более поздних временах наблюдается изотропное свечение плазменного облака. От поверхности мишени плазма разлетается изотропно, со скоростью V = l/t 3,3•10⁶ см/с, где l =0.05 см (размер изображения плазмы) и t =15 нс (время свечения плазмы). Эта величина согласуется со скоростями разлета ионов лазерной плазмы для Al мишени и подобными параметрами лазерного излучения [15].

Заключение

Проведено исследование импульсной плотной высокотемпературной плазмы методами рентгеновской диагностики. с помощью анализа По данным ослабления рентгеновского излучения за поглощающими фильтрами восстановлены спектров ее рентгеновского излучения. и с помощью камеры-обскуры получены рентгеновских изображений плазмы за фильтрами различной толщины. Сделаны оценки спектрального состава и электронной температуры плазмы. Все эксперименты проведены для лазерной плазмы системы и для разрядной плазмы типа НВИ и лазерной плазмы.

На плазменных установках типа НВИ получены более высокие значения температуры плазмы и зафиксировано излучение в диапазоне жёсткого РИ: от 1,5 до 25 кэВ. Для лазерной плазмы вся диагностика проводилась в диапазоне мягкого РИ: от 200 до 1000 эВ. Результаты показали, что выбранные диагностические методики применимы к плазмам обоих систем генерации, однако требует предварительной оптимизации к условиям эксперимента и исследуемому диапазону излучения.

Подобные системы диагностик будут удобны для работы, как с лазерной плазмой, так и с плазмой Z-пинча в комбинированном эксперименте, использующем лазерное инициирование малоиндуктивных высоковольтных разрядов в вакууме.

Список используемых источников

1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Под р. В.Е. Фортова. Т.2 стр 358-370. Изд. "Наука"г. Москва 2000г.

2. Учебное пособие. С.Л. Недосеев. "Энергия ИТС. Концепци ТЯР с драйвером на основе Z-пинча"// г. Москва. МФТИ, 2004г.

3. М.А. Алхимова, Е.Д. Вовченко, С.А. Саранцев //Материалы VIII Российской конф. "Современные средства диагностики плазмы и их применения", 23-25 октября 2012 г. С.152.

4. Уч. Пособие "Ядерно-физические методы диагностики плазмы" В.В. Кушин, В.К. Ляпидевский изд. "Москва" 1985г.

5. М.С. Аверин, А.Ю. Байков, О.А. Башутин,Е.Д. Вовченко, А.С. Савелов. Оценки электронной температуры плазмы микропинчевого разряда по ослаблению потока рентгеновского излучения в фотоэмульсии// Приборы и техника эксперимента. 2006г. №2. С.1-5.

6. А.Г. Русских, А.В. Шишлов, А.С. Жигалин, В.И. Орешкин С.А. Чайковский, Р.Б. Бакшт. Малогабаритный рентгеновский радиограф на основе плазменной пушки// Журнал технической физики(Тель-Авив).2010г. Т.8 вып.11.

7. Ratahin N.A., Fedushchak V.F., Erfort A.A., Zharova N.V., Zhidkova N.A., Oreshkin V.I.//Russ. Phys. J. 2007. Vol. 50. P.193

8. Ерохин А.А., Кишинец А.С.,Коробкин В.Ю. и др. //ЖЭТФ.2001.Т.119. Вып. 6. С. 1151-1158.

9. Коробкин Ю.В., И.В. Романов, А.А. Рупасов, А.С. Шиканов. Неустойчивости вакуумного разряда при лазерном инициировании катодного пятна//Журнал технической физики. 2005г. Т.75 Вып.9 С.34-39.

10. Красноголовец М.А.. Исследование процессов формирования плазмы сильноточного разряда в парах металла// Журнал технической физики. 1999г. Т. 69. Вып.11. С. 134-137.

11. K.N. Koshelev, N.R. Pereira. Plasma point and radiative collaps in vacuum sparks//1991г.

12. Долгов А.Н., Ляпидевский В.К., Савелов А.С., Салахутдинов Г.Х..// Прикладная физика. 2007. №1, С.87-92.

13. Современные проблемы физики и технологий. Материалы второй междунар. науч. Молодежной школы. 11-14 апреля 2013г./ М.А. Алхимова, Е.Д. Вовченко; науч. ред. и сост. Завестовская И.Н.; Москва, 2013г. С. 45.

14. http://www.technoexan.ru/products/diodes/cat3.php

15. О.Б. Ананьин, Ю.В. Афанасьев, Ю.А. Быковский, О.Н. Крохин// Лазерная плазма. Физика и применение.

Размещено на Allbest.ru