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

Глава 3. Описание экспериментов и анализ эксперентальных данных

.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

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

.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= 4×10¹¹ Вт/см ². Остаточное давление в вакуумной камере P= 5×10⁻⁵ 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

Рис.18. Изображение пятна в фокусе рентгеновской линзы за Al фильтрами различной толщины и средней интенсивности излучения I~150÷300мВ

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: τ₁ = 8,3∙10⁴ см²/г; τ₂ = 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

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

.       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.

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

.        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.

.        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.

.        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.

.        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.

.        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.

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

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