Материал: Исследование характеристик разрядной и лазерной плазмы по её собственному рентгеновскому излучению

Исследование характеристик разрядной и лазерной плазмы по её собственному рентгеновскому излучению

Оглавление

Введение

Глава 1. Литературный обзор

.1 Использование косвенных методов рентгеновской диагностики плазмы

.2 Использование рентгеновской камеры-обскуры

.3 Метод поглотителей

.4 Метод К-краевых фильтров. Метод Росса

.5 Совместное применение метода поглотителей и камеры обскуры

.6 Применение камеры-обскуры для оценки размеров точечного источника плазмы

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

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

Глава 2. Описание экспериментальных установок

.1 Экспериментальная установка "Зона-2" НИЯУ МИФИ

.2 Экспериментальная установка "ПИОН" НИЯУ МИФИ

.3 Лабораторный стенд для генерации лазерной плазмы

Глава 3. Описание экспериментов и анализ эксперентальных данных

.1 Эксперименты на микропинчевых установках "ПИОН" и "Зона-2"

.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 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.

.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.

.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 l_1пр = 113 Å, а в области l < l_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.

.4 Метод К-краевых фильтров. Метод Росса

Наиболее широкое применение при исследовании спектра непрерывного мягкого рентгеновского излучения плазмы с энергией 1 кэВ < hl < 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 hl > 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.

.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).