ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 1, с. 75-80
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 533.9.08
ДВУХКАДРОВАЯ СИСТЕМА ИМПУЛЬСНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В МЯГКОМ РЕНТГЕНОВСКОМ ДИАПАЗОНЕ СПЕКТРА НА ОСНОВЕ Х-ПИНЧЕЙ
© 2013 г. А. П. Артёмов, А. В. Федюнин, С. А. Чайковский, А. С. Жигалин, В. И. Орешкин, Н. А. Ратахин, А. Г. Русских
Институт сильноточной электроники СО РАН Россия, 634055, Томск, просп. Академический, 2/3 Поступила в редакцию 17.02.2012 г.
Описана работа двухкадровой системы импульсного зондирования в мягком рентгеновском диапазоне спектра на основе Х-пинчей и двух компактных сильноточных импульсных генераторов. Система позволяет получать два теневых рентгеновских снимка с микронным пространственным разрешением при длительности экспозиции 2—3 нс и с задержкой, варьируемой в широких пределах. С помощью двухкадровой системы проведена теневая съемка электрического взрыва одиночных алюминиевых проводников. Диапазон спектра зондирующего источника составлял hv > 0.8 кэВ. Разброс по времени между импульсами излучения не более ±18 нс.
DOI: 10.7868/S0032816213010023
ВВЕДЕНИЕ
Одним из типов нагрузки сильноточных импульсных генераторов тока является Х-пинч, представляющий собой две или более тонкие проволочки, скрещенные между собой в форме буквы "Х" [1]. При пропускании по Х-пинчу импульса тока с амплитудой 1т и временем нарастания т, для которого выполняется условие 1т/т > 1 кА/нс [2], в области перекрестия проволочек образуется источник мягкого рентгеновского излучения (м.р.и.) размером порядка 1 мкм и длительностью импульса <1 нс. Благодаря таким свойствам источник излучения на основе Х-пинча может использоваться для рентгеновского зондирования с микронным пространственным и наносекундным временным разрешением. Такая диагностика успешно применяется для исследования быстроразвивающих-ся физических процессов, таких как взрыв проводников или фольг [2—8]. Для доступных и недорогих микропроводников диаметром 10—20 мкм амплитуда импульса тока должна составлять не менее 150—300 кА при времени его нарастания не более 100—200 нс. В недавнем прошлом такие параметры импульса тока обеспечивали лишь громоздкие стационарные генераторы весом от 300 кг до нескольких тонн [2—5]. В последние годы проявляется большой интерес к малогабаритным генераторам, позволяющим создавать мобильные диагностические системы для радиографии на основе Х-пинчей в мягком рентгеновском диапазоне спектра [9—12].
В Институте сильноточной электроники СО РАН разработаны малогабаритные импульсные ге-
нераторы с амплитудой импульса тока 200—300 кА и временем его нарастания 150—200 нс [13]. Особенностью конструкции данных генераторов является использование компактных низкоиндуктивных конденсаторно-коммутаторных сборок [14], что позволило обеспечить габариты генератора примерно 50 х 50 х 50 см. На этих генераторах в экспериментах с Х-пинчами продемонстрирован источник мягкого рентгеновского излучения размером порядка 1—10 мкм при длительности импульса 2—3 нс в спектральном диапазоне энергий квантов Н\ = 1—4 кэВ [15]. Получены теневые изображения стационарных и короткоживущих объектов [6—8].
Задачей данной работы было создание двух-кадровой системы импульсного зондирования с варьируемой задержкой между кадрами на основе двух малогабаритных генераторов. В принципе, многокадровые системы зондирования могут быть созданы на одном импульсном генераторе при установке нескольких Х-пинчей последовательно или параллельно. Однако в этом случае задержка между кадрами не может превышать, грубо говоря, длительности импульса тока. Кроме того, чтобы добиться задержки между вспышками рентгеновского излучения, необходимо устанавливать Х-пинчи разной погонной массы. Но для заданной формы импульса тока имеется оптимальное значение погонной массы с точки зрения качества источника излучения. Превышение массы над оптимальной величиной приводит к увеличению размера источника излучения. Также увеличивается число "выстрелов", в которых излучение вовсе отсутствует. При погонной массе
Рис. 1. Внешний вид экспериментальной установки. 61, — сильноточные генераторы; WEG — генератор; 1, 2 — вакуумные камеры соответственно генераторов 61, 62 3 — вакуумная камера взрывающегося проводника; 4 — диагностические тракты, в которых устанавливалась фотопленка.
меньше оптимальной формируется несколько вспышек излучения [15]. Поэтому варьировать массу Х-пинчей можно только в очень ограниченном диапазоне, что приводит к еще более существенному ограничению интервала времени между кадрами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальная установка (см. рис. 1) состояла из двух сильноточных генераторов и генератора WEG [6] c меньшим уровнем тока, который предназначался для создания исследуемого объекта. В узле нагрузки каждого из сильноточных генераторов устанавливались Х-пинчи, формирующие зондирующие импульсы излучения. Первый сильноточный генератор G1 был создан в 2006 г. [13]. Второй сильноточный генератор G2 был аналогичен тому, который использовался в экспериментах [16]. Оба генератора при работе на низкоиндуктивную нагрузку обеспечивают амплитуду импульса тока до 300 кА при времени нарастания 180 нс. Конструктивно генераторы представляют собой низкоиндуктивные конденсаторные батареи из четырех конденсаторов емкостью 250 нФ, соединенных параллельно и снабженных отдельным маршевым коммутатором. Каждый из сильноточных генераторов имел блок низковольтного запуска, триггерный сигнал с которого поступал на блок высоковольтного запуска. Блок высоковольтного запуска формировал сигнал амплитудой 40 кВ с фронтом 15 нс, поступающий на маршевые коммутаторы генератора. Блок низковольтного за-
пуска может коммутироваться вручную или с помощью запускающего сигнала от внешнего генератора синхронизации, в качестве которого использовался стандартный шестиканальный генератор задержек ГИ-1.
Генератор ГИ-1 формирует до шести импульсов с задержкой от 100 нс до 2 мс с минимальным шагом 100 нс (по цифровому табло). Тестовые эксперименты показали, что при синхронизации генераторов G1, G2 и WEG от генератора задержек ГИ-1 разброс импульсов тока составляет не менее ±100 нс. Такой разброс приемлем для двухкадро-вой съемки микросекундных и более медленных процессов.
Для реализации режимов двухкадрового зондирования с меньшим разбросом по времени между кадрами была разработана иная система запуска. Для синхронизации всех генераторов экспериментальной установки они запускались от одного стартового устройства, генерирующего импульсы амплитудой до 16 кВ с фронтом 15 нс. Стартовое устройство имело два выхода: один на запуск WEG, другой на блок промежуточного запуска. С блока промежуточного запуска импульс синхронизации поступал на блоки высоковольтного запуска сильноточных генераторов G1 и G2. Изменением длины кабельной линии от стартового устройства до генератора WEG варьировалась задержка между срабатываниями генератора WEG и сильноточными генераторами. Требуемая задержка между импульсами тока генераторов G1 и G2 обеспечивалась разной длиной кабелей, идущих от блока промежуточного запуска к блокам высоковольтного запуска генераторов. Экспериментально продемонстрировано, что при использовании данной схемы синхронизации разброс от выстрела к выстрелу по времени между вспышками излучения двух Х-пинчей, запитываемых от двух отдельных сильноточных генераторов, составил не более ±18 нс.
Исследуемый объект, которым являлся электрически взрываемый тонкий алюминиевый проводник, устанавливался в отдельной вакуумной камере (3, рис. 1) в диэлектрической рамке (см. рис. 2). В диэлектрическую рамку были введены два электрических контакта, к которым крепился взрываемый проводник. Для взрыва проводника использовался генератор WEG (рис. 1). Излучение обоих Х-пинчей проходило через камеру с взрываемым проводником и далее выводилось на детектор.
Чтобы определить какой участок взрываемого проводника при проецировании на детектор виден на изображении, на одну из внешних сторон диэлектрической рамки крепился тест-объект, причем так, чтобы он не замыкал цепь генератора WEG, не контактировал с исследуемым взрываемым проводником и соответственно не взрывался
ДВУХКАДРОВАЯ СИСТЕМА ИМПУЛЬСНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
77
Пленка Пленка
Х-пинч 2 Х-пинч 1
Рис. 2. Проекционная схема двухкадрового зондирования.
во время эксперимента. Тест-объект представлял собой алюминиевую проволочку 035 или 100 мкм и устанавливался в направлении, перпендикулярном оси взрываемого проводника (см. рис. 2). Камеры генераторов с Х-пинчами были расположены под углом друг относительно друга для того, чтобы излучение одного из Х-пинчей не создавало паразитной засветки на детекторе, фиксирующем излучение другого Х-пинча.
Измерения тока на генераторах WEG, G1 и G2 проводились при помощи магнитных зондов и поясов Роговского. Для определения момента пробоя взрываемого проводника использовался делитель напряжения генератора WEG. Импульсы рентгеновского излучения Х-пинчей регистрировались с помощью вакуумных рентгеновских диодов (по одному на каждый генератор), находящихся за фильтрами из алюминиевой фольги толщиной 8 мкм. Такой детектор чувствителен к квантам с энергией hv > 0.8 кэВ. Сигналы датчиков регистрировались осциллографом TDS-3054C (Tektronix, Inc., Oregon, USA) с рабочей полосой 500 МГц.
Для получения снимков взрывающегося проводника в диапазоне энергий квантов излучения hv > 0.8 кэВ использовалась пленка "Микрат-500", находящаяся за фильтром из алюминизиро-ванного кимфойла толщиной 4 мкм. Расстояние от Х-пинчей до взрывающегося проводника составляло 20 см, от взрывающегося проводника до фотопленки — 100 см, т.е. коэффициент увеличения проекционной схемы был равен 6. Угол между направлениями зондирующих лучей составлял 135°.
I, кА N, отн. ед.
нс
Рис. 3. Характерные осциллограммы импульсов тока I и мощности рентгеновского излучения N в диапазоне энергий квантов Ну > 0.8 кэВ.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Первый этап эксперимента имел целью обеспечение максимально близких характеристик импульсов излучения, генерируемых Х-пинчами на двух сильноточных генераторах. Важным требованием
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.