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

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 (Æ200 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.

.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 30º.

.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 (λ = 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.

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

.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 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.

.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 λ=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 ~ 4×10¹¹ Вт/см². При этом достигается электронная температура плазмы порядка 80 эВ. Давление остаточного газа в вакуумной камере не более P = 5×10^-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 t ~ 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.